LỖ HẠT NHÂN: ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG, THÀNH PHẦN - SINH HỌC - 2025

Các lỗ chân lông hạt nhân (từ tiếng Hy Lạp, lỗ chân lông = đoạn hoặc quá cảnh) là "cửa" của hạt nhân cho phép hầu hết các phương tiện giao thông giữa nucleoplasm và tế bào chất. Lỗ nhân tham gia vào các màng trong và ngoài của nhân để tạo thành các kênh vận chuyển protein và RNA.

Từ lỗ chân lông không phản ánh mức độ phức tạp của cấu trúc được đề cập. Do đó, nên đề cập đến phức hợp lỗ hạt nhân (CPN) hơn là lỗ hạt nhân. CPN có thể trải qua những thay đổi trong cấu trúc của nó trong quá trình vận chuyển hoặc các trạng thái của chu kỳ tế bào.

Nguồn: RS Shaw tại Wikipedia tiếng Anh.

Gần đây, người ta đã phát hiện ra rằng nucleoporin, protein tạo nên CPN, có vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen. Do đó, khi các đột biến xảy ra ảnh hưởng đến chức năng của nucleoporin, các bệnh lý xảy ra ở người, chẳng hạn như bệnh tự miễn dịch, bệnh cơ tim, nhiễm virus và ung thư.

nét đặc trưng

Sử dụng phương pháp chụp cắt lớp điện tử, người ta xác định CPN có độ dày 50 nm, đường kính ngoài từ 80 đến 120 nm, và đường kính trong 40 nm. Các phân tử lớn như tiểu đơn vị ribosome lớn (MW 1590 kDa) có thể được xuất ra khỏi nhân thông qua CPN. Người ta ước tính rằng có từ 2.000 đến 4.000 NPC trên mỗi lõi.

Trọng lượng phân tử của một CPN riêng lẻ là khoảng từ 120 đến 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) ở động vật có xương sống. Ngược lại, CPN nhỏ hơn ở nấm men, trong đó nó xấp xỉ 60 MDa. Mặc dù kích thước khổng lồ của CPN, nucleoporin được bảo tồn rất cao ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn.

Chuyển vị qua CPN là một quá trình nhanh, tốc độ của nó là 1000 lần chuyển vị / giây. Tuy nhiên, CPN không tự nó quyết định hướng của dòng vận chuyển.

Nó phụ thuộc vào gradient RanGTP, trong nhân lớn hơn trong tế bào. Gradient này được duy trì bởi một yếu tố trao đổi guanin Ran.

Trong chu kỳ tế bào, CPN trải qua các chu kỳ lắp ráp và mất đoàn kết của các thành phần của chúng. Sự lắp ráp xảy ra ở bề mặt phân cách và ngay sau khi nguyên phân.

Đặc trưng

Axit Ribonucleic (RNA hạt nhân nhỏ, RNA thông tin, RNA vận chuyển), protein và ribonucleoprotein (RNP) phải được vận chuyển tích cực thông qua CPN. Điều này có nghĩa là năng lượng từ quá trình thủy phân ATP và GTP là cần thiết. Mỗi phân tử được vận chuyển theo một cách cụ thể.

Nói chung, các phân tử RNA được đóng gói với các protein tạo thành phức hợp RNP, được xuất khẩu theo cách này. Ngược lại, các protein được vận chuyển tích cực đến nhân phải sở hữu trình tự tín hiệu địa hóa nhân (SLN), có gốc axit amin tích điện dương (ví dụ: KKKRK).

Protein được xuất vào nhân phải có tín hiệu xuất nhân (NES) giàu axit amin leucine.

Ngoài việc tạo điều kiện vận chuyển giữa nhân và tế bào chất, CPN còn tham gia vào tổ chức chất nhiễm sắc, điều hòa biểu hiện gen và sửa chữa ADN. Nucleoporin (Nups) thúc đẩy quá trình hoạt hóa hoặc ức chế phiên mã, bất kể trạng thái tăng sinh tế bào.

Ở nấm men, Nups được tìm thấy trong CNP của vỏ nhân. Trong các siêu thị, chúng được tìm thấy bên trong. Chúng thực hiện các chức năng giống nhau ở tất cả các sinh vật nhân thực.

Nhập khẩu chất

Thông qua CPN, có sự khuếch tán thụ động của các phân tử nhỏ theo cả hai hướng và vận chuyển tích cực, nhập khẩu protein, xuất khẩu RNA và ribonucleoprotein (RNP), và con thoi hai chiều của các phân tử. Loại thứ hai bao gồm RNA, RNP và các protein liên quan đến tín hiệu, hình thành sinh học và doanh thu.

Quá trình nhập khẩu của protein vào nhân xảy ra theo hai bước: 1) liên kết của protein với phía tế bào chất của CPN; 2) Sự chuyển vị phụ thuộc ATP qua CPN. Quá trình này đòi hỏi sự thủy phân ATP và trao đổi GTP / GDP giữa nhân và tế bào chất.

Theo một mô hình vận chuyển, phức hợp thụ thể-protein di chuyển dọc theo kênh bằng cách liên kết, phân ly và gắn lại với trình tự lặp lại FG của nucleoporin. Theo cách này, phức hợp di chuyển từ nucleoporin này sang nucleoporin khác trong CPN.

Xuất khẩu chất

Nó tương tự như nhập khẩu. Ran GTPase thực thi tính định hướng khi vận chuyển qua CNP. Ran là một công tắc phân tử có hai trạng thái cấu trúc, tùy thuộc vào việc nó bị ràng buộc với GDP hay GTP.

Hai protein điều hòa đặc hiệu Ran kích hoạt sự chuyển đổi giữa hai trạng thái: 1) protein hoạt hóa GTPase tế bào (GAP), nguyên nhân gây ra thủy phân GTP và do đó chuyển Ran-GTP thành Ran-GDP; và 2) yếu tố trao đổi guanin hạt nhân (GEF), thúc đẩy trao đổi GDP lấy GTP và chuyển Ran-GDP thành Ran-GTP.

Dịch bào chứa chủ yếu là Ran-GDP. Kernel chủ yếu chứa Ran-GTP. Gradient này của hai dạng hình dạng của Ran hướng sự vận chuyển theo hướng thích hợp.

Việc nhập bộ phận tiếp nhận, được gắn vào hàng hóa, được tạo điều kiện thuận lợi bằng cách gắn vào FG-lặp lại. Nếu nó đến phía hạt nhân của CNP, Ran-GTP sẽ tham gia cùng người nhận giải phóng vị trí của anh ta. Do đó, Ran-GTP tạo ra hướng của quá trình nhập.

Xuất khẩu hạt nhân cũng tương tự. Tuy nhiên, Ran-GTP trong nhân thúc đẩy sự liên kết của hàng hóa với xuất thụ. Khi thụ thể xuất khẩu di chuyển qua lỗ vào tế bào, nó gặp Ran-GAP, gây ra sự thủy phân GTP thành GDP. Cuối cùng, thụ thể được giải phóng khỏi bài đăng của nó và Ran-GDP trong dịch bào.

Vận chuyển RNA

Việc xuất khẩu một số lớp RNA cũng tương tự như việc xuất khẩu protein. Ví dụ, tRNA và nsRNA (hạt nhân nhỏ) sử dụng gradient RanGTP và được vận chuyển qua CPN bởi carioferin exportin-t và Crm, tương ứng. Việc xuất khẩu ribosome trưởng thành cũng phụ thuộc vào độ dốc RanGTP.

MRNA được xuất theo một cách rất khác so với protein và các RNA khác. Để xuất khẩu, mRNA tạo thành một phức hợp RNP thông tin (mRNP), trong đó một phân tử mRNA được bao quanh bởi hàng trăm phân tử protein. Các protein này chịu trách nhiệm cho quá trình xử lý, đóng nắp, nối và polyadenyl hóa mRNA.

Tế bào phải có khả năng phân biệt giữa mRNA với mRNA trưởng thành và mRNA với mRNA chưa trưởng thành. MRNA, tạo thành phức hợp RPNm, có thể áp dụng các cấu trúc liên kết cần được sửa sang lại để vận chuyển. Trước khi mRNP xâm nhập vào CPN, một bước kiểm soát xảy ra được thực hiện bởi TRAMP và phức hợp protein exosome.

Khi RNPm trưởng thành được lắp ráp, RPNm được vận chuyển qua kênh bởi một thụ thể vận chuyển (Nxf1-Nxt1). Thụ thể này yêu cầu sự thủy phân ATP (không phải là gradient RanGTP) để thiết lập hướng tái cấu trúc của mRNP, mRNP sẽ đến được tế bào chất.

Phức hợp lỗ nhân và sự kiểm soát biểu hiện gen

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng các thành phần CPN có thể ảnh hưởng đến việc điều hòa biểu hiện gen bằng cách kiểm soát cấu trúc của chất nhiễm sắc và khả năng tiếp cận của nó với các yếu tố phiên mã.

Ở những sinh vật nhân chuẩn tiến hóa gần đây, chất dị nhiễm sắc được ưu tiên nằm ở ngoại vi của nhân. Lãnh thổ này bị gián đoạn bởi các kênh euchromatin, được duy trì bởi giỏ hạt nhân của CPN. Sự liên kết giữa giỏ nhân với euchromatin có liên quan đến quá trình phiên mã gen.

Ví dụ, hoạt hóa phiên mã ở mức CPN liên quan đến sự tương tác của các thành phần của giỏ nhân với các protein như histone SAGA acetyltransferase và các yếu tố xuất khẩu RNA.

Do đó, rổ hạt nhân là một nền tảng cho nhiều gen và gen quản lý được phiên mã mạnh mẽ do những thay đổi của điều kiện môi trường.

Phức hợp lỗ hạt nhân và virus học

Sự lây nhiễm virus của tế bào nhân thực phụ thuộc vào CPN. Trong mỗi trường hợp nhiễm virus, sự thành công của nó phụ thuộc vào DNA, RNA hoặc RPN đi qua CPN để đạt được mục tiêu cuối cùng, đó là sự nhân lên của virus.

Virus simian 40 (SV40) là một trong những mô hình được nghiên cứu nhiều nhất để điều tra vai trò của CPN trong sự chuyển vị trong nhân. Điều này là do SV40 có một bộ gen nhỏ (5.000 bazơ).

Người ta đã chứng minh được rằng việc vận chuyển DNA của virus được tạo điều kiện thuận lợi bởi các protein áo virus, các protein này sẽ bảo vệ virus cho đến khi đến được nhân.

Các thành phần

CPN được nhúng bên trong vỏ hạt nhân và được tạo thành từ khoảng 500 đến 1000 Nups. Các protein này được tổ chức thành các cấu trúc con hoặc mô-đun, tương tác với nhau.

Mô-đun đầu tiên là thành phần trung tâm, hoặc vòng, trong lỗ hình đồng hồ cát, được giới hạn bởi một vòng khác có đường kính 120 nm ở cả hai mặt, nội nhân và tế bào chất. Mô-đun thứ hai là nhân và các vòng tế bào chất (đường kính mỗi vòng 120 nm) nằm xung quanh thành phần hình đồng hồ cát.

Mô-đun thứ ba là tám sợi chiếu từ vòng 120 nm vào trong hạt nhân và tạo thành cấu trúc hình rổ. Mô-đun thứ tư được tạo thành từ các sợi chiếu về phía bên của tế bào chất.

Phức hợp hình chữ Y, được tạo thành từ sáu Nups và các protein Seh 1 và Sec 13, là phức hợp lớn nhất và có đặc điểm tốt nhất của CNP. Khu phức hợp này là đơn vị thiết yếu là một phần của giàn giáo CPN.

Mặc dù có sự tương đồng thấp giữa các trình tự của Nups, giàn CPN được bảo tồn cao ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn.

Người giới thiệu

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Phức hợp lỗ rỗng hạt nhân: hiểu được chức năng của nó thông qua cái nhìn sâu sắc về cấu trúc. Nhận xét Bản chất, Sinh học Tế bào Phân tử, Đổi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Protein lỗ hạt nhân và sự kiểm soát các chức năng của bộ gen. Gen và sự phát triển, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Phức hợp lỗ hạt nhân - cấu trúc và chức năng trong nháy mắt. Tạp chí Khoa học Tế bào, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Phức hợp lỗ rỗng hạt nhân như một cánh cổng linh hoạt và năng động. Ô, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Phức hợp lỗ hạt nhân đa chức năng: một nền tảng để kiểm soát sự biểu hiện gen. Ý kiến ​​hiện tại của Sinh học Tế bào, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Republication: phức hợp lỗ hạt nhân - một đánh giá toàn diện về cấu trúc và chức năng. Tạp chí Quốc tế về Y học Học thuật, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Phức hợp lỗ rỗng hạt nhân động: sự sống ở rìa. Ô, 125, 1041-1053.