生物大分子的细胞核质转运

生物大分子的细胞核质转运3

李载权　唐朝枢(北京大学第一医院心血管研究所,北京100034)

周爱儒(北京大学医学部生物化学与分子生物学系,北京100083)

摘要　生物大分子通过细胞核孔复合体的转运是真核细胞基因复制、转录和翻译的

必要环节,也是联系细胞核内外信号转递与参与细胞内核反应(即细胞增殖、分化、凋

亡等核反应)调控的重要环节。本文主要介绍细胞核孔复合体结构、出入细胞核的转

运过程及核转运蛋白与亲核素方面的研究进展,细胞核转运过程的深入研究在医药

学基础和临床实践都有十分重要的意义。

关键词　核孔复合体;细胞核质转运;核孔素;核转运蛋白;亲核素

学科分类号　Q257

真核细胞质和细胞核是功能不同的两个亚细胞部位,细胞核膜是二者分隔的重要屏障,核膜上分布的核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)是沟通细胞核内外物质交流和信息交流的主要通道。生物大分子经NPC跨核膜转运(nucleocytoplasmic transport)是真核细胞基因复制、转录和翻译的必要环节,也是联系细胞内信号转递、参与细胞核反应(即细胞增殖、分化、凋亡等核反应)调控的重要环节。一般而言,分子量低于60kD的生物分子可自由通过NPC出入细胞核,而60kD以上的生物大分子通过NPC情形较为复杂,其核质转运是一种耗能的需蛋白介导的主动转运过程,无论是入核(import)转运还是出核(export)转运均需耗能。该过程由核膜Ran蛋白水解GTP为转运提供能量,因此核质侧核膜高Ran GTP和胞质侧核膜高Ran G DP浓度的不对称性是核质转运的重要基础[1]。需入核转运的生物大分子通常有参与基因复制、转录的蛋白因子和各种酶系,如复制酶、转录酶、U snRNP、hnRNP蛋白颗粒和细胞核内转录调节因子如Stat3等,以及其他需入核才发挥作用的外源性大分子如基因治疗的外源重组DNA、病毒基因等;相反,需出核转运的生物大分子包括细胞核内各类RNA(rRNA、mR2 NA、t RNA)、U snRNP蛋白颗粒、N ES蛋白等。生物大分子正常的出入核转运是真核细胞生长、增殖、分化和发育等生命活动的基本保证。

一、核孔复合体模型及其结构蛋白

根据高倍电子显微镜对青蛙卵细胞、昆虫细胞、脊椎动物细胞和酵母细胞等的研究人们提出了核孔复合体的圆柱状模型[2],该模型认为细胞核膜由内、外两层核膜组成,两核膜之间为核间腔(nuclear lumen);内外两侧核膜以外分别为核液面和胞质面;每个NPC由对称的8分子幅蛋白(spoke)将内、外两层核膜粘在一起且8分子幅蛋白相互围成一疏水孔道;孔中心有一中央插销蛋白(central plug,transporter),中央插销蛋白控制着生物大分子出入NPC的速率或启闭;幅蛋白与内层核膜融合为一胞质环(cytoplasmicring),胞质环引出八根长30～50nm

3　国家自然科学基金资助课题(39730220)

游离于胞质的胞质纤丝(cytoplasmic filament );同样,幅蛋白与外层核膜融合成一核质环(nu 2clear ring ),核质环上引出八根长100nm 提篮纤丝(basket filament ),然后由一根终末环(termi 2nal ring )将提篮纤丝的另一端连在一起形成提篮样网筐(nuclear basket )结构(图1)。核质环直接与核内核纤层蛋白(nuclear lamina )相连,终末环与核内纤丝样核网格(nuclear lattice )骨架蛋白相连,形成核内复杂的高级网格骨架基础。当生物小分子通过NPC 进行自由扩散时NPC 孔径约9nm ,生物大分子进行主动转运时孔径可达25nm ,可见NPC 结构并不完全是刚性的。NPC 数目、位置和孔径均处于周期性变化,NPC 随机分布于细胞核表面上,不同时期细胞核表面上NPC 数目不一样,NPC 数量最多时可达107个/核。

图1　细胞核孔复合体构造模型

组成NPC 的特征蛋白为糖蛋白gp210

和核孔素(nucleoporin ,Nup )。糖蛋白

gp210为一种跨核膜的N 2连接糖蛋白,能

与伴刀豆球蛋白A 强烈结合,作用是将

NPC 固定于核膜上;核孔素为一组由8～

12种O 2连接糖蛋白构成的蛋白家族,与麦

胚凝集素(WA G )亲和,广泛分布于NPC 孔

周围,在细胞质与细胞核内也可检出,作用

与生物分子的核质转运有关。在分子结构

上gp210有锚定NPC 核膜的结合域及与亲

核素蛋白结合的结合域,而核孔素蛋白分

子上至少有三类重复序列,其中N 末段有

F G 二肽结构域[3,4],这些序列都是生物大

分子进行核质转运的分子基础。

二、生物大分子的细胞核质转运过

程[5]在入核转运过程中存在于胞质中的具

有核定位信号肽(nuclear location signal ,NL S )的转运蛋白(简称NL S 蛋白),首先与NPC 附近Importin α结合,Importin α再与Importin β相结合形成NL S 2Importin α/β复合体,然后NPC 内核孔素蛋白通过其自身重复序列与Importin β结合,并将NL S 2Importin α/β复合体定位(docking )在NPC 胞质纤丝上,随后胞质纤丝发生弯曲将其复合体依次递呈到细胞NPC 中央插销蛋白上,并与核质纤丝发生结合、解离平衡,复合体被送入细胞核内。复合体在通过NPC 中央孔时所耗能量由Ran GTPase 水解GTP 提供,同时激活Importin β,后者可使Importin α和NL S 分别从NL S 2Importin α/β复合体上释放下来,NL S 分子在核内马达分子(motor )推动下沿核内骨架发生固相传输(solid transfer )。核内Importin β与Ran GTP 结合成二聚体再转运回胞质,胞质中Importin β/Ran GTP 二聚体在Ran GTPase 作用下解离为Importin β和Ran G DP ,Importin β继续参与下一轮NL S 蛋白的入核转运;核内Importin α的出核转运过程较为复杂,首先核内Importin α在CAS 蛋白和Ran GTP 作用下形成三联体转运回胞质,然后三联体在胞质Ran GTPase 作用下解离为Importin α、CAS 和Ran G DP 。最后胞质Importin α继续参与下一轮NL S 蛋白的入核转运过程,CAS 则直接返回细胞核内(图2,B )。

在出核转运过程中具有出核转运信号肽(Nuclear export signal ,N ES )的核转出蛋白(简称