KERNPOREN: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN, KOMPONENTEN - BIOLOGIE - 2025

Die Kernporen (aus dem Griechischen Poren = Durchgang oder Transit) sind das "Tor" des Kerns, das den größten Teil des Transports zwischen dem Nukleoplasma und dem Zytoplasma ermöglicht. Die Kernporen verbinden die innere und äußere Membran des Kerns zu Kanälen, die zum Transport von Proteinen und RNA dienen.

Das Wort Pore spiegelt nicht die Komplexität der fraglichen Struktur wider. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, sich auf den Kernporenkomplex (CPN) anstatt auf die Kernporen zu beziehen. Das CPN kann während des Transports oder des Zellzykluszustands Änderungen in seiner Struktur erfahren.

Quelle: RS Shaw bei English Wikipedia.

Kürzlich wurde entdeckt, dass Nucleoporine, Proteine, aus denen das CPN besteht, eine wichtige Rolle bei der Regulation der Genexpression spielen. Wenn also Mutationen auftreten, die die Funktion von Nucleoporinen beeinflussen, treten beim Menschen Pathologien auf, wie Autoimmunerkrankungen, Kardiomyopathien, Virusinfektionen und Krebs.

Eigenschaften

Mittels Elektronentomographie wurde festgestellt, dass das CPN eine Dicke von 50 nm, einen Außendurchmesser zwischen 80 und 120 nm und einen Innendurchmesser von 40 nm aufweist. Große Moleküle wie die große Ribosomenuntereinheit (MW 1590 kDa) können durch das CPN aus dem Kern exportiert werden. Es wird geschätzt, dass es zwischen 2.000 und 4.000 NPCs pro Kern gibt.

Das Molekulargewicht eines einzelnen CPN liegt bei Wirbeltieren ungefähr zwischen 120 und 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da). Im Gegensatz dazu ist der CPN in Hefen kleiner, in denen er ungefähr 60 MDa beträgt. Trotz der enormen Größe des CPN sind Nukleoporine in allen Eukaryoten hoch konserviert.

Die Translokation durch das CPN ist ein schneller Prozess, dessen Geschwindigkeit 1000 Translokationen / Sekunde beträgt. Die CPN selbst bestimmt jedoch nicht die Richtung des Transportflusses.

Dies hängt vom RanGTP-Gradienten ab, der im Kern größer ist als im Cytosol. Dieser Gradient wird durch einen Guaninaustauschfaktor Ran aufrechterhalten.

Während des Zellzyklus durchlaufen CPNs Montage- und Disunity-Zyklen ihrer Komponenten. Die Montage erfolgt an der Grenzfläche und unmittelbar nach der Mitose.

Eigenschaften

Ribonukleinsäure (kleine Kern-RNA, Messenger-RNA, Transfer-RNA), Proteine ​​und Ribonukleoproteine ​​(RNPs) müssen aktiv durch CPN transportiert werden. Dies bedeutet, dass die Energie aus der Hydrolyse von ATP und GTP benötigt wird. Jedes Molekül wird auf eine bestimmte Weise transportiert.

Im Allgemeinen werden RNA-Moleküle mit Proteinen gepackt, die RNP-Komplexe bilden, und auf diese Weise exportiert. Im Gegensatz dazu müssen Proteine, die aktiv zum Kern transportiert werden, eine Kernlokalisierungssignalsequenz (SLN) besitzen, die positiv geladene Aminosäurereste (z. B. KKKRK) besitzt.

Proteine, die in den Kern exportiert werden, müssen ein Kernexportsignal (NES) aufweisen, das reich an der Aminosäure Leucin ist.

CPNs erleichtern nicht nur den Transport zwischen Zellkern und Zytoplasma, sondern sind auch an der Organisation des Chromatins, der Regulation der Genexpression und der DNA-Reparatur beteiligt. Nucleoporine (Nups) fördern die Aktivierung oder Unterdrückung der Transkription, unabhängig vom Zustand der Zellproliferation.

In Hefen finden sich Nups im CNP der Kernhülle. In Metazoen sind sie im Inneren zu finden. Sie erfüllen in allen Eukaryoten die gleichen Funktionen.

Import von Substanzen

Durch das CPN werden kleine Moleküle in beide Richtungen passiv diffundiert und aktiv transportiert, Proteine ​​importiert, RNA und Ribonukleoproteine ​​(RNPs) exportiert und Moleküle bidirektional transportiert. Letzteres umfasst RNA, RNP und Proteine, die an Signalübertragung, Biogenese und Umsatz beteiligt sind.

Der Import von Proteinen in den Kern erfolgt in zwei Schritten: 1) Bindung des Proteins an die cytoplasmatische Seite des CPN; 2) ATP-abhängige Translokation durch das CPN. Dieser Prozess erfordert die Hydrolyse von ATP und den Austausch von GTP / GDP zwischen dem Kern und dem Zytoplasma.

Gemäß einem Transportmodell bewegt sich der Rezeptor-Protein-Komplex entlang des Kanals, indem er an die FG-Wiederholungssequenzen der Nucleoporine bindet, diese dissoziiert und wieder an sie bindet. Auf diese Weise bewegt sich der Komplex innerhalb des CPN von einem Nucleoporin zum anderen.

Export von Substanzen

Es ist ähnlich wie beim Import. Ran GTPase erzwingt die Direktionalität beim Transport durch CNP. Ran ist ein molekularer Schalter mit zwei Konformationszuständen, je nachdem, ob er an GDP oder GTP gebunden ist.

Zwei Ran-spezifische regulatorische Proteine ​​lösen die Umwandlung zwischen den beiden Zuständen aus: 1) cytosolisches GTPase-aktivierendes Protein (GAP), das eine GTP-Hydrolyse verursacht und somit Ran-GTP in Ran-GDP umwandelt; und 2) nuklearer Guanin-Austauschfaktor (GEF), der den Austausch des BIP gegen GTP fördert und Ran-BIP in Ran-GTP umwandelt.

Das Cytosol enthält hauptsächlich Ran-GDP. Der Kernel enthält hauptsächlich Ran-GTP. Dieser Gradient der beiden Konformationsformen von Ran lenkt den Transport in die entsprechende Richtung.

Die Einfuhr des an die Ladung gebundenen Rezeptors wird durch Anbringen an den FG-Wiederholungen erleichtert. Wenn es die nukleare Seite des CNP erreicht, gibt Ran-GTP zusammen mit dem Empfänger seine Position frei. Somit erstellt Ran-GTP die Richtung des Importprozesses.

Der nukleare Export ist ähnlich. Ran-GTP im Kern fördert jedoch die Bindung der Ladung an den Rezeptorexport. Wenn sich der Exportrezeptor durch die Pore in das Cytosol bewegt, trifft er auf Ran-GAP, das die Hydrolyse von GTP zum BIP induziert. Schließlich wird der Rezeptor von seinem Post- und Ran-GDP im Cytosol freigesetzt.

RNA-Transport

Der Export einiger RNA-Klassen ähnelt dem Export von Proteinen. Beispielsweise verwenden tRNA und nsRNA (kleiner Kern) den RanGTP-Gradienten und werden durch Carioferin-Exportin-t bzw. Crm durch das CPN transportiert. Der Export reifer Ribosomen hängt auch vom RanGTP-Gradienten ab.

MRNA wird ganz anders exportiert als Proteine ​​und andere RNAs. Für den Export bildet mRNA einen Messenger-RNP (mRNP) -Komplex, in dem ein mRNA-Molekül von Hunderten von Proteinmolekülen umgeben ist. Diese Proteine ​​sind für die Verarbeitung, Verkappung, Spleißung und Polyadenylierung von mRNA verantwortlich.

Die Zelle muss in der Lage sein, zwischen mRNA mit reifer mRNA und mRNA mit unreifer mRNA zu unterscheiden. Die mRNA, die den RPNm-Komplex bildet, könnte Topologien annehmen, die für den Transport umgestaltet werden müssen. Bevor mRNP in das CPN eintritt, wird ein Kontrollschritt durchgeführt, der von TRAMP- und Exosomenproteinkomplexen durchgeführt wird.

Wenn das reife RNPm zusammengesetzt ist, wird das RPNm von einem Transportrezeptor (Nxf1-Nxt1) durch den Kanal transportiert. Dieser Rezeptor erfordert die Hydrolyse von ATP (kein RanGTP-Gradient), um die Remodellierungsrichtung des mRNP zu bestimmen, das das Zytoplasma erreicht.

Der Kernporenkomplex und die Kontrolle der Genexpression

Einige Studien zeigen, dass Komponenten von CPN die Regulation der Genexpression beeinflussen könnten, indem sie die Struktur des Chromatins und seine Zugänglichkeit zu Transkriptionsfaktoren kontrollieren.

In neueren Eukaryoten befindet sich Heterochromatin bevorzugt an der Peripherie des Kerns. Dieses Gebiet wird von Euchromatin-Kanälen unterbrochen, die vom Atomkorb des CPN unterhalten werden. Die Assoziation des Kernkorbs mit Euchromatin hängt mit der Gentranskription zusammen.

Beispielsweise beinhaltet die Aktivierung der Transkription auf CPN-Ebene die Wechselwirkung von Komponenten des Kernkorbs mit Proteinen wie Histon-SAGA-Acetyltransferase und RNA-Exportfaktoren.

Somit ist der Kernkorb eine Plattform für zahlreiche hochtranskribierte Housekeeping-Gene und Gene, die stark durch Änderungen der Umweltbedingungen induziert werden.

Der Kernporenkomplex und die Virologie

Die Virusinfektion eukaryotischer Zellen hängt von der CPN ab. In jedem Fall einer Virusinfektion hängt ihr Erfolg davon ab, ob DNA, RNA oder RPN das CPN passieren, um das endgültige Ziel zu erreichen, nämlich die Virusreplikation.

Das Affenvirus 40 (SV40) war eines der am besten untersuchten Modelle zur Untersuchung der Rolle des CPN bei der Translokation innerhalb des Kerns. Dies liegt daran, dass SV40 ein kleines Genom hat (5.000 Basen).

Es wurde gezeigt, dass der Transport von Virus-DNA durch Virus-Hüllproteine ​​erleichtert wird, die das Virus schützen, bis es den Kern erreicht.

Komponenten

Das CPN ist in die Kernhülle eingebettet und besteht aus ungefähr 500 bis 1000 Nups. Diese Proteine ​​sind in strukturellen Subkomplexen oder Modulen organisiert, die miteinander interagieren.

Das erste Modul ist eine zentrale Komponente oder ein zentraler Ring innerhalb der sanduhrförmigen Pore, die durch einen anderen Ring mit einem Durchmesser von 120 nm auf beiden Seiten begrenzt ist, intranukleär und zytoplasmatisch. Das zweite Modul sind die Kern- und Zytoplasma-Ringe (jeweils 120 nm Durchmesser), die sich um die sanduhrförmige Komponente befinden.

Das dritte Modul besteht aus acht Filamenten, die vom 120-nm-Ring in das Nucleoplasma hineinragen und eine korbförmige Struktur bilden. Das vierte Modul besteht aus den Filamenten, die zur Seite des Zytoplasmas ragen.

Der Y-förmige Komplex, bestehend aus sechs Nups und den Proteinen Seh 1 und Sec 13, ist der größte und am besten charakterisierte Komplex von CNP. Dieser Komplex ist die wesentliche Einheit, die Teil des Gerüsts des CPN ist.

Trotz der geringen Ähnlichkeit zwischen den Sequenzen der Nups ist das CPN-Gerüst in allen Eukaryoten hoch konserviert.

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