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穿过核被膜：核质转运的有序调控 对于真核生物来说细胞核与细胞质之间大分子物质的转运是一个严格的细胞内过程，调节核质交换的机制受多水平调控。这种调控是通过调节各个转运物的表达或功能、转运受体或者转运通道来获得的。上述每种调节机制都对转运形式和转运能力产生广泛影响，这种严格的调控制度直接影响基因表达、信号转导、发育以及疾病。在真核细胞中，从其它的细胞内组分中分离核基因物质需要可调控的核进出从而实现基本的生物学过程。核质转运机制需要特殊的细胞内因子核大分子复合体来调节像RNA的双向往返核蛋白质转运物质。特殊转运物及时穿过核被膜对于正确的细胞分裂和基因表达是十分严格的。而且转运路线不受调节或者出现错误将会导致多种疾病。在此我们强调多种策略来调节蛋白质和RNA的进出以及对细胞内外信号的影响。核转运的细胞内机制核转运通过核孔复合体进行，NPC是由大于60MD的大分子结构组成的横跨核被膜脂双层的通道。核孔复合体的结构使蛋白质和RNA方便地进出。核孔蛋白（核孔复合体的组成蛋白）在NPC的组装和功能中起精确的作用。核孔蛋白有助于整个NPC的构建，孔膜蛋白将NPC锚定在核被膜上。FG-Nups包含三种类别的Nup，它们包括三种不同的结构域，分别为FG 、GLFG.或者FXFG的重复功能域，它们可以通过带电或极性的隔离序列隔离。FG-Nups可能沿着核孔复合体中心排列并将纤丝延伸到细胞质核核质表面。另外，未折叠的自然地FG结构域也许在NPC中有多种拓扑学位置。 离子、代谢物核其它小分子物质是通过被动扩散运输的，而大于40KD的蛋白运输则需要特殊的转运受体。这个FG-Nups在形成NPC通透性屏障中起重要作用，尽管形成屏障的结构NPC被报道过。FG-Nups对于NPC的活性转运支架来说是一必需组分。转移受体被认为用于核多的、随机的低亲和性的FG重复序列相互作用。在FG-Nups和转移受体停靠核转移过程中这一系列的相互作用是不需要能量的，只在最终释放和双向阶段有核苷酸的水解。通透屏障的物理结构和转运机制尚存在争议而且并没有彻底弄明白。辩论的焦点是NPC的通透屏障是自发的还是耗能的，最近研究表明这两种情况都有。作为一个物理屏障，FG-Nups会相互作用形成一个胶状筛，小分子可以被动扩散。通过筛子转移受到转移受体的调控，转移受体主要是溶解屏障和允许配体复合物进入。作为一个能量屏障，它形成一个排斥的门控，排斥未结合FG的分子。结合FG重复序列的手提被位于NPC的转运复合体有效聚集，克服了熵屏障并增加了转运可能性。最后一个双向的通道模型被提出，还有一个解释被动扩散的选择性屏障，它由位于FG重复序列或其他Nups之间的水媒性的隔离序列组成。这就形成了一个由连续FG形成的结构，它允许配体-受体复合物停靠并沿着周围的FGs转动。转移和可能的屏障对于NPC在细胞内转运和信号传递中起重要作用，并且需要进一步的生物物理和细胞内的研究来区分已提出的机制。转运载体自身对核运输阶段的识别携带信号的运输物和与NPC相互作用以及将货物转运到目的地起了重要作用。其中最大的一组是由结构上相联系的亲和蛋白家族成员组成。大多数的Kapbs是双向结合转运物，尽管Kap1通常用受体来识别转运物。Kap同源物提供kap和转运物之间的受体。Kap家庭成员的双向运输是通过GTPase Ran来完成的，而且可能被Nup-kapb结合位点影响。非kap转运受体包括RanGDP、运输因子Ntf2和平常mRNA输出因子-yMex67，和MNxf1/Tap，它和Ymfr2与Nxtl/p15分别组成异源二聚体。 例如啤酒酵母（Saccharomyces.Cerevisiae ）60s的核糖体亚基（19），另外，仅有少数的货物蛋白由受体依赖运输途径来转运：例如，Wnt标记的大分子-连锁蛋白直接作用于FG-repeats来调控它自身的转入。人们越来越清楚地知道核质转运的调控涉及多种多样水平的控制，并且知道其中所包含的主要转运组件：NPC（核孔复合物）转运通道、转运受体以及所转运的物质本身。这里要讲的是，多种调控策略的应用允许在整个转运过程中有按等级划分的不同水平的影响（图2）。在物质调控水平中的特殊物质调控往往引起局部的变化。然而，转运受体或者适配器功能的修饰具有中间的影响作用潜在地影响被受体识别的所有物质。NPC水平的改变更普遍，并且NPC水平的调控同时影响多种受体和大量的转运物质。个体配体水平的调控配体分子显示的信号序列和被运输载体所识别的信号序列分别被叫做核定位序列，核输出序列。这些被经典的定义为氨基酸一级结构域的序列对配体运输来说是必需的和具有重要意义的。但是现在明确的是这些信号序列由一级结构序列和二级或三级结构等要素组成，它们存在于蛋白质和RNA序列中。核定位序列或核输出序列的精确顺序和次级结构决定各种不同Kaps的专一性。介导配体定位反应的受体蛋白和受体RNA受控于复合的转录后加工和修饰系统。这都考虑到个体配体水平专一性的运输调控。 典型的NF-B和p53信号完美的表现了转运信号对核定位的控制。核输入转录因子NF-kB的异型二聚体p65-p50被它的分子间NLS掩盖所调控。晶体结构研究显示NF-B抑制因子直接闭锁了NLS的p65-p50.这带来了异型二聚体的胞质定位。然而，为了响应促类刺激物，IB被有序的降解，NF-B因核输入而被释放。肿瘤抑制因子p53穿梭于核质之间，在细胞应急时p53在细胞核内通过“NES掩盖”机制，这个机制是靠p53同型四聚体掩藏NESs，来阻断其与Kap的联系。p53在核质中的穿梭正进一步被p53与Crml相互影响的多聚复合物阻止。p53细胞核中保留这一缺陷与一些肿瘤有关，这表明了信号货物的合适细胞定位的重要性。蛋白质货物与相应的Kap受体或Kap衔接物的亲和力影响它的核质运输效率并且代表一个精细的运输调控效应。然而，货物与受体结合太紧密阻碍了货物的的传递和释放。甚至通过翻译后修饰包括对NLSS和NESS的特定修饰来影响配体-受体复合物的形成。啤酒酵母细胞转录因子Pho4依赖磷酸化与Kaps相互作用来调节其在有效磷酸反应中的定位，对于细胞周期蛋白B1，在有丝分裂开始时磷酸化它的NESS来阻碍它与Crml的相互作用引起周期蛋白B1的核阻留。除了磷酸化，翻译后修饰例如甲基化和泛素化作用可以也可以调节配体的定位。RNA解旋酶的NLS的甲基化对其正确运输是极为重要的。磷酸酶和肿瘤抑制因子PTEN在特殊赖氨酸残基单一遍在蛋白化后被有效地引入，有趣的是，这个泛素结合酶UbcM2仅仅在带电的遍在蛋白及适当的激活酶作为运输引物时才被引入。因此，利用翻译后修饰来调控蛋白质运输，允许循环不断地进行细胞周期效应 图解图一：核孔复合体（NPC）调控双向的核质运输 （A）扫描电镜下，来自于爪蟾卵母细胞核膜两侧的胞质面（上面）和核质面（下面）的NPC结构。样品制备如（80）所述影像提供：M.Goldberg，Durham University;R.Stick,University of Bremen (B)受体调控运输涉及顺序分步，转运受体识别受信号标记的货物蛋白并形成一个受体货物蛋白复合体（1），然后受体货物蛋白复合体停泊在NPC的近侧（2）在进行与易位中FG-Nups的有序、随机、低亲和力的相互作用之前（3）在NPC的远侧，受体货物蛋白复合体分解并释放货物蛋白（4）。对于Kap的转入，复合体的分解是由和受体绑定的细胞核内Ran.GTP启动的；对于Kap的输出，在输出受体货物蛋白复合体中的Ran.GTP在Ran.GTP激活蛋白（Ran.GAP）的作用下水解为Ran.GDP，使得复合物分解。Ran鸟苷酸交换因子（RanGEF）存在于细胞核，它使得Ran.GTP大量集中，而且Ran.GDP由Ntf2（未标示）转入细胞核 （C）单个的NPC具有同时双向转移蛋白质和RNA的能力。 用金原子标记的运输底物显微注射后，爪蟾卵母细胞在免疫电镜技术中所显示的单一核孔。 金原子标记的核质蛋白（120220埃）连接到胞质（c），且金原子标记的tRNA（2050埃）连接到细胞核（n）。核膜在蓝光的照射下发亮。经允许从（3）中复制 NPC毛孔渗透性1.NPC膨胀2.NUP在细胞和NPC中重置蛋白质的表达和稳定性1.NUP/POM表达2.NUP降解转录因子表达1.竞争NCP结合位点2. kap和Kap表达 隔绝1.抑制mRNA输出的因子2. kap和Kap隔开物质翻译后修饰磷酸化、甲基化、使普遍化、使二磷酸苷核糖多聚化转录后修饰mRNA拼接和mRNP成熟化、tRNA核酸的成熟化、由3UTR信号因子保护核酸、核糖体亚基的成熟化分子间和分子内相互作用单个同质化和异质化掌控的NLS和NESFig2:核细胞质运输是在NPC转录因子和独立的物质水平上调控。这个金字塔表现了用来调控核细胞质运输的阶级性，通过在运输方面扩大影响控制在一个更好的水平上。每一个水平由多种机制调控、在列举的活泼的例子中选择。 对于多种多样的RNA产物来说，控制核转运的不连续的信号元件的范例显而易见。tRNA在细胞质中发挥作用，且它的输出通过与kapt-输出因子直接相互作用而紧密连接在它的35个成熟位点，mRNA的核输出子系统直接被顺式作用RNA信号元件调节。D逆转录病毒用一个直接连接转运受体mNxf1的组成转录元件来转录。奇怪的是，CTE在许多mRNA的剪接体中也编码mNxf1。对于连接到特定细胞周期控制区的很多基因产物来说，在mRNA的3末端非翻译区有一个被翻译起始因子识别的保守结构元件eIF4E137。eIF4E在这些元件上的组装以mRNA作为mNxf1独立输出途径的目标，除了促进输出以外，核酸序列元件控制RNA核滞留并且有效的调节基因表达，肿瘤相关的细胞因子MSF的mRNA含有一个3UTR信号元件（调节核稳定直到转录后加工过程对改变生长因子1发出的信号引发输出有所反应的）。同样，一个存在于氨基酸转运子mCAT2交替转录中的3UTR引起核滞留，直到应力条件允许转录后加工和输出。RNA信号元件和micRNA mTR-296中的六聚体序列对于核输出都是必须的。 mRNA和核糖体亚基成熟的要点，是一系列的有规则、大规模的加工过程。这个过程控制了相应的转运受体之间的相互作用。这确保了只有成熟、完全组装的产物被转运出去。对于mRNA，特别的蛋白质会相互吸引形成mRNP，在剪接、形成5帽子和3ployA过程中，mRNP会发生一系列变化。经调整的成熟的mRNP需要被转运出去。而缺乏导致mRNP被保留在核内。mRNA转运出这一过程重要的一步是募集转运受体yMex67-Mtr2 (mNxf1-Nxt1)定向结合到NPC上，定向的释放mRNP到细胞质中。在转运过程中，mRNP组成的改变可以通过RNA依赖ATP酶yDbP5通过NPC接合yGlel和肌醇六磷酸空间活化来潜在的协调。在mRNA输出过程中，一个水溶性肌醇磷酸的转运要求可能也允许磷酸酶c信号转运调节。以相似的方式，核糖体亚基经理连续、调节过程在核仁和核质中形成rRNA蛋白质复合物，它被选择性的转运到细胞质。所以，载物信号，修饰和合成在控制RNAs和RNA-蛋白质复合物独立蛋白的转运过程中都起重要作用。 运输受体控制蛋白的调节。尽管改变单体运输动力是以一些方式完成的，但对于一组物质来说，通过改变不同的运输受体来完成，也许会更有效。酿酒酵母菌至少有17种不同的运输受体。包括14种Kap家族成员，一个Kap、yntf2和ymex67-mt2异二聚体。多细胞生物有约20种已知Kap家族成员，多种同源Kap、mntf2和至今所知的4种mNxf家族成员，这些受体相互组成一个特殊的NLSs或NESs亚基，并以此管理特异物质的运输。一些研究证明受体或配体表达水平的改变可以调节运输，（例如:转运受体）在发育（进化）过程中存在不同的转运受体表达方式，这一规律已在小线虫和果蝇中被发现，在配子形成和早期胚胎发生过程中，三个果蝇Kap的组织特殊表达直接调节被转入的物质。事实上，畸变的Kap表达方式导致了低水平的繁殖率和胚胎发生，人的Kap也可展现特殊组织的表达方式。Kap亚型间转变的协调作用已在小鼠胚胎干细胞神经元分化的调节中发现。假使这样的话，Kap短暂的表达对于特殊时期的转录因子（与生长过程有关的）的细胞核转入是至关重要的。不仅是Kap控制物质转入的调节。而且可使用一个Kap配体和Kap来扩大转入调节的功能性范围，尔这一功能是一个Kap不能单独完成的。 运输受体穿梭途径的解除机制发生在几种疾病状况下，对于Kap或者是Kap家族成员的过量表达，在结肠、乳房和肺的癌细胞中被发现。Kap2的反常表达在黑肿瘤细胞和乳房癌细胞中伴随着很少的存活和病状。但是，在Kap2过量表达的细胞中，货物是如何重新分配，还有这又对肿瘤的发生有什么影响仍不清楚。在病毒发病机理中，Kap1或Kap2被Ebola病毒所隔绝，各自妨碍了细胞的抗病毒应答。因此，对于运输受体水平在时间和空间上的控制直接影响正常发育而且与制病机制有关。Kap之间的NPC结合位点的会出现相互作用。作为一种控制运输的机制。因为Kap和它的丰富的同源货物改变也会造成核酸输入效率的改变。增加kap水平可以提高转运速率；然而，对于某一个kap这一过程是饱和的。也可能是不同的单个转运受体竞争有限数量的NPC结合位点。由于大约10个因子的作用在完整细胞中的标准输入速率低于透性细胞，可能是因为在体外系统大多数竞争性kaps被除去。总的概括说，转运受体显示了其在体内和体外对不同FG结构域的选择性。在啤酒酵母中对NPC中的FG重复序列的组成进行的遗传操作进一步揭露了单个转运受体的干扰与特异的FG的缺失有关。这表明NPC有多个不依赖FG的通路，每一条通路都有不同的转运受体。同时，在转运受体水平的正负调控下，核质易位也可受FG途径中的运输受体的竞争的影响。NPC中的大规模调控机制 上面强调了FG-NPCS建立的高效运输特异转运受体的途径。另外，NPC的结构和屏障性能同时较广泛的影响到了多种转运受体和货物蛋白。NPC屏障的完整性通过Nup组分的改变被潜在地控制着。在丝状真菌Aspergillis nichlans和海星Asterina miniata中都经历了一个半开放的有丝分裂（即不完整的核膜破裂），而且在有丝分裂中只有一小部分的Nup的一个组分解装配。特异的Nup可能是磷酸化作用的分解目标，结果导致有丝分裂Npc具有更强的通透性。此外，生物有机体还经历一个闭合的有丝分裂，例如啤酒酵母中，在一个细胞依赖周期中Npc结构开始改变，Nup的磷酸化媒介作用机制改变了特异的转运结果。Npc亚结构yNup53的重新定位改变了yKaPk1的结合位点，对核输入yKaPk1货物蛋白产生直接后果。因为yKaP121也对小的泛素化的修饰蛋白酶yu1p1的合适的亚细胞有定位作用，这可能是nup53和kap121突变体中修饰septin（胞裂蛋白）去泛素化作用模型的基础。这些NPC组分的暂时变异也出现在一些发展的方案中，在那里，mNUP50的表达模式和微孔哺乳动物蛋白gp210被限制在一些小鼠的特定组织中。同样，Nup-mbo(mNuP88和yNuP82的同源物)和mbo表达产物对crm1的间接输出有抑制作用。甚至在单个啤酒酵母核中，NPC相关蛋白的特异定位作用表明NPC亚群有有专门的运输职能。 进入细胞核对于大部分DNA和一些RNA病毒的复制是至关重要的，包括脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、流感和水疱性口炎病毒。每个病毒瞄准Nups的子系统，使其降解或选择性抑制。核孔复合物的破坏使个别运输受体的效率偏移，以有利于转运病毒的组成部分。例如，流感病毒选择性抑制mRNA输出因子mNxfl-Nxt1(Fig.3D),mRealGle2和mElp-AP5;还下调mNup98(fig.3E),细胞mRNA的输出需要这些输出因子和一个特定的mNup98结合位点，从而有效的阻断。但是，因为病毒RNA的运输不依赖于宿主的mRNA输出因子或结合位点，所以它不受影响。可以概述为：这种病毒机制是在干扰素介导上调mNup98直接竞争，最后，mNup98的诱导和降解之间的平衡影响细胞是否被病毒感染。Fig.3. 对细胞核胞质运输的调节是动态的调节是动态的、多元化的。（A）分子间和分子内的相互作用（NF-KB or P53 分别的）调节单一核输出物的运输。（B）个别核输物出物的运输通过翻译后修饰（泛素化的UbcM2）和转录后修饰（mRNA剪接）来调节（C）转运受体的表达方式改变了核输出物的移位。Kap亚型的表达指导被输出地运输物（彩色编码.六边形）（D）流感病毒隔离mRNA输出受体mNxf1-Nxt1,阻断细胞mRNA输出（E）核孔复合物的组成广泛地影响转运，流感病毒下调mNup98,从而消除一个关键的细胞mRNA输出因子的结合位点。（F）核孔复合物渗透屏障阻挡大分子（40KD8nm）的自由扩散小分子的移动可以不依赖转运受体。 除了改变Nup的结合能影响特定的受体和渗透屏障外，NPCs的物理形状也可能与运输的调控有关。电子显微镜研究发现NPCs有不同的直径和结构。不过，目前还不清楚是否不同的结构表现在装配中间体，NPCs的亚基具有特定的功能，为了特定的货物蛋白或者制备的样品来改变NPC的结构。尽管中央水通道直径约为10纳米，NPC还是能够有效地转运大的货物蛋白，如约1到3DM（约25nm的直径）的核糖体亚基及蛋白酶前体。人造底物的直径可长达39nm。如体涂金粒子的转运受体也能够被易位。有趣的是，mNup58和mNup45的X射线晶体结构表明，这两种NupS可能通过它们共同的-螺旋的相互用的表面 相互承载，这个相互作用的表面有约11移动的潜力。mNup58和mNup45两者都位于NPC通道的中部，估计圆形的的滑动可能会增大的直径，使其达约，作用可能使调控或者容纳的大货物蛋白易位。这种在其他相互作用的之间的滑动，作为可能推动这些变化的机制。对生物物理上的影响还不清楚。总体而言，有许多通过改变的组分来