PORO NUCLEARE: CARATTERISTICHE, FUNZIONI, COMPONENTI - BIOLOGIA - 2025

Il poro nucleare (dal greco, pori = passaggio o transito) è la "porta" del nucleo che consente la maggior parte del trasporto tra il nucleoplasma e il citoplasma. Il poro nucleare si unisce alle membrane interne ed esterne del nucleo per formare canali, che servono a trasportare proteine ​​e RNA.

La parola poro non riflette la complessità della struttura in questione. Per questo motivo, è preferibile fare riferimento al complesso dei pori nucleari (CPN), piuttosto che ai pori nucleari. Il CPN può subire cambiamenti nella sua struttura durante il trasporto o gli stati del ciclo cellulare.

Fonte: RS Shaw su Wikipedia in inglese.

Recentemente, è stato scoperto che le nucleoporine, proteine ​​che compongono il CPN, hanno un ruolo importante nella regolazione dell'espressione genica. Pertanto, quando si verificano mutazioni che influenzano la funzione delle nucleoporine, nell'uomo si verificano patologie, come malattie autoimmuni, cardiomiopatie, infezioni virali e cancro.

caratteristiche

Utilizzando la tomografia elettronica, è stato determinato che il CPN ha uno spessore di 50 nm, un diametro esterno compreso tra 80 e 120 nm e un diametro interno di 40 nm. Grandi molecole come la grande subunità ribosomiale (MW 1590 kDa) possono essere esportate fuori dal nucleo attraverso il CPN. Si stima che ci siano tra 2.000 e 4.000 NPC per nucleo.

Il peso molecolare di un singolo CPN è approssimativamente compreso tra 120 e 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) nei vertebrati. Al contrario, il CPN è più piccolo nel lievito, in cui è di circa 60 MDa. Nonostante le enormi dimensioni del CPN, le nucleoporine sono altamente conservate in tutti gli eucarioti.

La traslocazione attraverso il CPN è un processo veloce, la cui velocità è di 1000 traslocazioni / secondo. Tuttavia, il CPN non determina di per sé la direzione del flusso di trasporto.

Dipende dal gradiente RanGTP, che è maggiore nel nucleo che nel citosol. Questo gradiente è mantenuto da un fattore di scambio della guanina Ran.

Durante il ciclo cellulare, i CPN subiscono cicli di assemblaggio e disunità dei loro componenti. L'assemblaggio avviene all'interfaccia e immediatamente dopo la mitosi.

Caratteristiche

L'acido ribonucleico (piccolo RNA nucleare, RNA messaggero, RNA di trasferimento), proteine ​​e ribonucleoproteine ​​(RNP) devono essere trasportati attivamente attraverso CPN. Ciò significa che è richiesta l'energia dall'idrolisi di ATP e GTP. Ogni molecola viene trasportata in un modo specifico.

In generale, le molecole di RNA sono imballate con proteine ​​che formano complessi RNP, esportate in questo modo. Al contrario, le proteine ​​che vengono trasportate attivamente al nucleo devono possedere una sequenza del segnale di localizzazione del nucleo (SLN), che possiede residui di amminoacidi caricati positivamente (ad esempio, KKKRK).

Le proteine ​​esportate nel nucleo devono avere un segnale di esportazione del nucleo (NES) ricco di amminoacido leucina.

Oltre a facilitare il trasporto tra il nucleo e il citoplasma, i CPN sono coinvolti nell'organizzazione della cromatina, nella regolazione dell'espressione genica e nella riparazione del DNA. Le nucleoporine (Nups) promuovono l'attivazione o la repressione della trascrizione, indipendentemente dallo stato di proliferazione cellulare.

Nel lievito, le Nups si trovano nel CNP dell'involucro nucleare. Nei metazoi si trovano all'interno. Svolgono le stesse funzioni in tutti gli eucarioti.

Importazione di sostanze

Attraverso il CPN c'è diffusione passiva di piccole molecole in entrambe le direzioni e trasporto attivo, importazione di proteine, esportazione di RNA e ribonucleoproteine ​​(RNP) e navetta bidirezionale di molecole. Quest'ultimo include RNA, RNP e proteine ​​coinvolte nella segnalazione, nella biogenesi e nel turnover.

L'importazione delle proteine ​​nel nucleo avviene in due fasi: 1) legame della proteina al lato citoplasmatico del CPN; 2) Traslocazione dipendente dall'ATP attraverso il CPN. Questo processo richiede l'idrolisi dell'ATP e lo scambio di GTP / GDP tra il nucleo e il citoplasma.

Secondo un modello di trasporto, il complesso recettore-proteina si muove lungo il canale legandosi, dissociandosi e riattaccandosi alle sequenze ripetute FG delle nucleoporine. In questo modo, il complesso si sposta da una nucleoporina a un'altra all'interno del CPN.

Esportazione di sostanze

È simile all'importazione. Ran GTPase applica la direzionalità al trasporto tramite CNP. Ran è uno switch molecolare con due stati conformazionali, a seconda che sia legato a GDP o GTP.

Due proteine ​​regolatorie specifiche per Ran innescano la conversione tra i due stati: 1) proteina attivante la GTPasi citosolica (GAP), che causa l'idrolisi della GTP e quindi converte Ran-GTP in Ran-GDP; e 2) fattore di scambio della guanina nucleare (GEF), che promuove lo scambio del PIL con GTP e converte Ran-GDP in Ran-GTP.

Il citosol contiene principalmente Ran-PIL. Il kernel contiene principalmente Ran-GTP. Questo gradiente delle due forme conformazionali di Ran dirige il trasporto nella direzione appropriata.

L'importazione del recettore, attaccato al carico, è facilitata dall'attaccamento alle ripetizioni FG. Se raggiunge il lato nucleare del CNP, Ran-GTP si unisce al ricevitore per rilasciare il suo posto. Pertanto, Ran-GTP crea la direzione del processo di importazione.

L'esportazione nucleare è simile. Tuttavia, Ran-GTP nel nucleo promuove il legame del carico all'esportazione del recettore. Quando il recettore di esportazione si sposta attraverso i pori nel citosol, incontra Ran-GAP, che induce l'idrolisi del GTP in PIL. Infine, il recettore viene rilasciato dal suo posto e Ran-GDP nel citosol.

Trasporto di RNA

L'esportazione di alcune classi di RNA è simile all'esportazione di proteine. Ad esempio, tRNA e nsRNA (piccolo nucleare) utilizzano il gradiente RanGTP e vengono trasportati attraverso il CPN rispettivamente dalla carioferina exportin-t e Crm. L'esportazione di ribosomi maturi dipende anche dal gradiente RanGTP.

L'MRNA viene esportato in un modo molto diverso rispetto alle proteine ​​e ad altri RNA. Per la sua esportazione, l'mRNA forma un complesso di RNP messaggero (mRNP), in cui una molecola di mRNA è circondata da centinaia di molecole proteiche. Queste proteine ​​sono responsabili dell'elaborazione, del capping, dello splicing e della poliadenilazione dell'mRNA.

La cellula deve essere in grado di distinguere tra mRNA con mRNA maturo e mRNA con mRNA immaturo. L'mRNA, che forma il complesso RPNm, potrebbe adottare topologie che devono essere rimodellate per il trasporto. Prima che mRNP entri nel CPN, si verifica una fase di controllo eseguita da TRAMP e complessi proteici esosomiali.

Quando l'RNPm maturo viene assemblato, l'RPNm viene trasportato attraverso il canale da un recettore di trasporto (Nxf1-Nxt1). Questo recettore richiede l'idrolisi dell'ATP (non un gradiente RanGTP) per stabilire la direzionalità di rimodellamento dell'mRNP, che raggiungerà il citoplasma.

Il complesso dei pori nucleari e il controllo dell'espressione genica

Alcuni studi indicano che i componenti del CPN potrebbero influenzare la regolazione dell'espressione genica controllando la struttura della cromatina e la sua accessibilità ai fattori di trascrizione.

Negli eucarioti evoluti più di recente, l'eterocromatina si trova preferenzialmente alla periferia del nucleo. Questo territorio è interrotto dai canali dell'eucromatina, che sono mantenuti dal paniere nucleare del CPN. L'associazione del cesto nucleare con l'eucromatina è correlata alla trascrizione genica.

Ad esempio, l'attivazione della trascrizione a livello CPN implica l'interazione di componenti del cestello nucleare con proteine ​​come l'istone SAGA acetiltransferasi e fattori di esportazione dell'RNA.

Pertanto, il paniere nucleare è una piattaforma per numerosi geni di mantenimento della casa altamente trascritti e geni fortemente indotti da cambiamenti nelle condizioni ambientali.

Il complesso dei pori nucleari e la virologia

L'infezione virale delle cellule eucariotiche dipende dal CPN. In ogni caso di infezione virale, il suo successo dipende dal DNA, RNA o RPN che passa attraverso il CPN per raggiungere il suo obiettivo finale, che è la replicazione del virus.

Il virus scimmiesco 40 (SV40) è stato uno dei modelli più studiati per indagare il ruolo del CPN nella traslocazione all'interno del nucleo. Questo perché SV40 ha un genoma piccolo (5.000 basi).

È stato dimostrato che il trasporto del DNA del virus è facilitato dalle proteine ​​del rivestimento del virus, che proteggono il virus fino a quando non raggiunge il nucleo.

componenti

Il CPN è incorporato all'interno dell'involucro nucleare ed è composto da 500 a 1000 Nups circa. Queste proteine ​​sono organizzate in sottocomplessi strutturali o moduli, che interagiscono tra loro.

Il primo modulo è un componente centrale, o anello, all'interno del poro a forma di clessidra, che è limitato da un altro anello di 120 nm di diametro su entrambe le facce, intranucleare e citoplasmatica. Il secondo modulo è il nucleo e gli anelli del citoplasma (120 nm di diametro ciascuno) situati attorno al componente a forma di clessidra.

Il terzo modulo è costituito da otto filamenti che sporgono dall'anello di 120 nm nel nucleoplasma e formano una struttura a forma di cesto. Il quarto modulo è costituito dai filamenti che sporgono verso il lato del citoplasma.

Il complesso a forma di Y, composto da sei Nups e le proteine ​​Seh 1 e Sec 13, è il complesso più grande e meglio caratterizzato di CNP. Questo complesso è l'unità essenziale che fa parte del ponteggio del CPN.

Nonostante la bassa somiglianza tra le sequenze dei Nups, lo scaffold CPN è altamente conservato in tutti gli eucarioti.

Riferimenti

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Il complesso dei pori nucleari: comprensione della sua funzione attraverso l'insight strutturale. Nature Reviews, Molecular Cell Biology, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Proteine ​​dei pori nucleari e controllo delle funzioni del genoma. Genes and Development, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Il complesso dei pori nucleari: struttura e funzione a colpo d'occhio. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Il complesso dei pori nucleari come gate flessibile e dinamico. Cella, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Il complesso multifunzionale dei pori nucleari: una piattaforma per il controllo dell'espressione genica. Current Opinion of Cell Biology, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Repubblicazione: il complesso dei pori nucleari - una revisione completa della struttura e della funzione. International Journal of Academic Medicine, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Complessi pori nucleari dinamici: vita al limite. Cella, 125, 1041-1053.