核孔复合体的结构、动态组装及生理功能.doc

细胞生物学课程论文核孔复合体的结构、动态组装及生理功能【摘 要】:核孔复合体可以看作是一种特殊的跨膜运输蛋白复合体，并且是一个双功能、双向性的亲水性核质交换通道。双功能表现在它有2种运输方式：被动扩散和主动运输。双向性表现在核孔复合体即介导蛋白质的入核转运，又介导RNA、核糖核蛋白颗粒的出核转运。这种经核孔复合体进行的跨核膜转运在细胞增殖、细胞分化以及个体发育等生命活动中发挥了重要的生理功能。【关键词】:核孔复合体、结构、组装、跨膜转运、生理功能The Structure Dynamic Assembly and Physiological Functions of the Nuclear Pore Complex 【Abstract】： In the biological inter phase of the cell nucleus, The cell nucleus rounded by the layer nuclear membrane can be observed. Karyotheca is not a completely closed membrane system, which is formation of many small holes by nuclear membrane from inside and outside the two-story partial fusion called nuclear pores. The complex structure of the nuclear pore and its surrounding collectively referred to as the nuclear pore complex. The nuclear pore complex is responsible for the task of the busy transport Oita a sub task or particulate matter between nucleus and cytoplasm. The permeability of the small molecules and ions are mainly regulated by the nuclear membrane. The transmembrane transport process that biological macromolecules through the nuclear pore complex is an important part for the regulation of gene expression of eukaryotic cells, the nuclear signaling inside and outside, and involved in nuclear reaction control of cell proliferation, differentiation, apoptosis.【Keywords】：nuclear pore complex; structure; assembly; transmembrane transport; physiological function生物间期的细胞中，可以观察到由二层核膜围绕的细胞核。核膜不是一个完全封闭的膜体系，而是由内外二层核膜局部融合形成许多小孔，称为核孔，核孔及其周围的复杂结构统称核孔复合体1。核孔复合体担负着细胞核与细胞质之间繁忙的运输大分子或颗粒物质的任务，而小分子和离子的通透主要是由核膜调节的。生物大分子通过核孔复合体的跨膜转运过程是真核细胞基因表达调控、核内外信号传递，以及参与细胞增殖、分化、凋亡等核反应调控的重要环节。1.核孔复合体的结构核孔复合体是跨越核膜的疏水性孔道，它附着于内外核膜的融合处，其数量随细胞种类和生理状态的不同而变化。目前，通过多种显微成像技术，对不同种属细胞的核孔复合体进行研究，发现其结构和功能在进化上具有高度保守性。根据它与核膜相对位置的不同，将其分为胞质区、核膜区、核质区等3部分2。胞质区由胞质环和附于其上的胞质纤丝组成；由核质环、终末环、和核质纤丝组成的核质区更像一个篮筐状结构；核膜区由辐蛋白复合体和中央通道蛋白复合体构成。辐蛋白复合体由8条幅蛋白构成，并经放射状悬臂固定于核膜。中央通道蛋白复合体为中空结构，有一疏水性孔道贯穿始终，又叫中央通道，该通道是大分子物质跨膜运输的必经之路，通常情况下其直径为9nm，可允许小分子物质自由通过；当有大分子物质跨膜运输时，核孔复合体通过一系列构型的变化，使其孔径扩大。此外，在中央通道蛋白复合体与辐蛋白复合体之间还有8个细小的外周孔道。水、离子和小分子物质（如核酸、单糖等）也可通过这些孔道进出3。核孔复合体的上述特点赋予了它作为物质跨核膜运输惟一通道的结构基础。通过对核孔复合体的影像学观察，发现它在垂直核膜的方向上呈八面旋转对称，而在平行核膜方向上并不对称，这也提示了可能与物质运输的方向有关 ；此外，由于核孔复合体的核质区与胞质区分别与核骨架及细胞骨架相联，因此它可能还参与核内外的信号传递，以及有丝分裂等细胞生命过程。2.核孔复合体的物质组成核孔复合体是一个巨型蛋白质分子复合体，组成它的特征性蛋白叫核孔素。最新研究表明，酵母细胞和脊椎动物细胞的核孔复合体只含有大约30种核孔素，但其相对分子质量却高达44*106和60*106 4，究其原因，与核孔素的平均分子较大（酵母细胞的核孔素平均相对分子质量约为100*103），以及核孔素的高拷贝数有关（核孔素由8个旋转对称的单体结构组成，每个单体中不同核孔素的拷贝数不同，加之一些核孔素对称分布于核膜两侧，因此这些核孔素的总拷贝数可达16或32个）。3.核孔复合体的动态组装假说在细胞新陈代谢中，新的核孔需要组装到核膜上应对细胞分裂或其他生理变化。在哺乳动物和酵母细胞的细胞周期中，核孔数量在G1期到G2期增加，为细胞分裂做准备5。同样，卵母细胞在核膜和胞质中积聚数百万的核孔复合体，为早期快速胚胎发育提供物质储备。高等真核生物在有丝分裂中经历了核膜、核孔的解聚和重组装过程6，即大量核孔需要在分裂末期同时重新组装在一起。间期细胞和分裂期细胞的核孔组装是否具有相同的机制目前还不清楚，这两种核孔组装发生在完全不同的细胞时期。有丝分裂后核孔复合体的组装发生在M期细胞的胞质中，早于或至少与核膜同步形成；分裂间期核孔复合体的组装在间期细胞质内完成，此时细胞已具有完整的双层核膜结构。第一种核孔复合体组装假说认为局部内外核膜的预先融合引发了核孔组装。研究人员用非洲爪蟾卵(Xenopus egg)提取物和精细胞染色体组成无细胞体系，研究有丝分裂中核孔的组装。在体外实验中，加入抑制抗体或者抑制性药物，可获得无核孔的核膜7。因此，该假说认为内外核膜融合后才能启动核孔复合体的组装。哺乳动物的两个核孔跨膜蛋白Pom121和gp210是内外核膜融合的标志蛋白，体外实验中，对gp210胞质端的结构进行干扰也会抑制核孔复合体的组装8。然而，另外一些实验结论则与之相反，许多组织或培养细胞系并无gp210的表达，这些实验结果对gp210是否在有丝分裂中核孔组装起关键作用提出质疑，进而对该假说提出质疑。第二种假说认为核孔组装是由于染色质上结合的一些核孔前体蛋白引发的9。科研人员很早就从电镜中观察到，在核膜形成前，染色质上已存在类似于核孔的结构10。最近报道，在细胞有丝分裂后期开始时，Nup107(nucleoporin 107)和Nup133(或许是整个Nup107-160复合物)与染色质连接，早于核膜与染色质的结合。免疫沉淀去除Nup107-160复合物可使核孔的体外组装受阻，形成无核孔核膜，而在膜成分围绕染色质之前加入纯化的Nup107-160复合物，核孔能恢复组装11。这表明Nup107-160复合物是核孔组装前体，它必须先与染色质结合然后才能引发后续的核孔组装。Nup155也是核孔复合体组装所必须的前体蛋白12。也许还有其他核孔蛋白参与核孔前体的组装，这些蛋白质按照一定顺序依次整合，形成有功能的核孔。第三种核孔组装的假说是针对已经有完整核膜的间期细胞提出的，认为已存在的核孔做模板，复制生成新核孔，然后按一种“分裂机制”进行分离，形成两个核孔13。前两种引发核孔组装、膜融合、核孔前体形成的假说也同样适用于间期细胞。除了核孔蛋白在核孔组装中的重要作用外，大量研究表明importin和Ran GTP也直接参与调控核孔复合体组装的启动14。Ran GTP可以将importin从Nup107和Nup153中释放出来，并且诱导这些核孔蛋白形成复合体，进而这些复合体启动核孔的组装。有丝分裂末期，一旦核孔复合体启动组装，其他核孔蛋白就会相继结合，但Tpr和gp210是例外，这两个蛋白质只有在核孔转运活动开始后才会组装到核孔上15，提示这两个蛋白质对转运活动起重要作用。此外，核孔复合体的组装具有空间特异性，由于小G蛋白Ran聚集在核内，因此过低浓度的Ran GTP或过高浓度的importin会抑制核孔组装，相反，过高浓度的Ran GTP或过低浓度的importin 将导致胞质中核孔复合体组装的异常现象16。最近，来自生物信息学方面的分析发现，核孔复合体在进化上与囊泡外被(vesicle coat)同源。酵母Nup84复合物(哺乳动物Nup107-160复合物的同源物)与囊泡外被某些成分在蛋白质高级结构上高度同源，这些结构与膜的弯曲有关，在囊泡出芽(vesiclebudding)和核孔内外核膜融合过程中起重要作用17。今后来自进化方面的研究也将为核孔组装的发生提供有力证据。4. 核孔复合体的物质转运功能物质经核孔复合体的转运有以下几种方式：小分子物质的被动转运，包括通常小于20*103的蛋白。受体、信号介导的能量?温度依赖性主动转运过程。这一方式被大多具有典型与不典型的核定位信号 和（或）核输出信号的蛋白采用，它们与转运受体及其他辅助因子形成转运复合物，借助一种鸟苷酸酶催化GTP水解供能而实现跨膜转运。某些不具有上述特点的大分子物质可采取不依赖受体、信号，甚至Ram的途径进行跨膜运输18。无论它们采用哪种途径，无一例外的是，这些分子必须直接或间接与Nups相互作用，才能实现转运过程。作为物质跨核膜运输惟一通道的核孔复合体，如何介导这些物质的运输，一直以来都是人们研究的重点。现有以下几种模式可供参考。41 不同物质按各自的“路线图”穿越中央通道已知转运复合物中的转运因子可与Nups的FG相互作用而实现跨膜转运，在这一过程中，并非所有的FG都与同一转运因子相互作用。核孔复合体中央通道内侧有大量来自不同Nups的FG序列，它们为不同的转运“货物”提供了不同的锚定“路线”，所以即使许多分子同时穿越1个核孔复合体，它们也可借助不同的结合位点而减少核孔复合体中央通道的“拥堵”，并且这一方式还可增加核孔复合体对不同转运物的精细调节。4.2核孔复合体转运的方向性FG Nups分布的不对称性可作为转运复合物的方向标，而FG与转运因子之间的亲和梯度则是物质运输的“动力”。这一模式的提出基于以下证据 ：在入核转运过程中，转运受体importinB与Nup358（胞质纤丝）、Nup62复合物（中央通道），以及Nup153（核篮）的亲和力逐渐增高19，从而“引导”转运复合物从胞质侧经核孔复合体向核质侧运输。此外，由FG形成的疏水环境，以及FG Nups的高度无序和卷曲的特性，使中央通道成为一道“熵障”，既拒绝未经“许可”的物质进入（如某些未与转运受体结合的物质），又阻止已转运完毕并与受体分离的物质向相反的方向“扩散”。4.3 直接与FG相互作用某些蛋白，如B-连环蛋白 ，可直接通过与FG Nups相互作用入核，入核后它与染色质结合并固定于核内。这似乎是一个不需能的被动扩散过程，但与FG的直接相互作用是启动这一过程的基础。4.4 中央通道的膨大中央通道构型的改变对于运送较大体积的分子而言是必须的，核孔复合体其他部位的变化可以协助这一过程实现。反推之，这也说明核孔复合体是一个柔性而非刚性结构。外界分子对Nups的修饰作用（如磷酸化M去磷酸化）可以改变Nups的构型进而改变核孔复合体的形状，从而适应物质运输的需要。4.5 巨型分子的运输即使核孔复合体可以在一定程度上通过改变构型来适应转运物体积的变化（目前可检测到的中央通道最大直径为39nm），但对于像mRNP（如 Balbiani-ring-mRNP，BR颗粒，直径为50nm）这样的巨型分子而言仍显得无能为力20。所以此时巨型分子改变自身构型以适应核孔复合体的大小就成为必然之选。目前已对许多mRNP的出核过程有了深入了解，其中mRNP解环成线状穿越核孔复合体再重新折叠的过程似乎是它们共有的一种跨膜方式 ，它已得到了多种影像学研究的证实。5. 核孔复合体的“非转运”功能核孔复合体除了参与大分子转运外，它还在细胞周期、信号转导等生命过程中发挥“非转运”的作用。目前已知在脊椎动物的核孔复合体中至少有5种与有丝分裂过程中的着丝粒形成有关;8P78E。另外2种还参与纺锤体的形成和染色体的分离。此外，在哺乳动物细胞的基因敲除中发现，CAN/Nup214、Nup98、Rae1/Gle2与胚胎发育有关，它们的突变均可导致恶性肿瘤发生21。Nup153在有丝分裂的核膜裂解过程中也具有关键作用。目前人们将兴趣越来越多地集中在关于物质跨核膜转运的领域中来，这不仅是因为生物大分子的细胞核质转运为基因表达、细胞增殖、分化、凋亡等一系列生命过程提供了更为丰富的调控方式，而且近年来的研究发现，许多原癌基因产物在核内外执行不同的甚至相反的功能，从而导致细胞产生2种结局 增殖或凋亡22，因此研究这些原癌基因经和核孔复合体的转运调控机制为肿瘤治疗提供了新的线索。此外，许多非经典核转运途径，即转运受体-NLS/NES非依赖的途径已在信号分子、病毒产物等许多执行重要功能的大分子物质中发现，它们中有的可直接通过与Nups的相互作用出入核孔，有的则经“背负”机制完成跨膜转运，有些甚至还可通过一种新奇的、不为我们所知的方式进出核孔复合体；即使是同一物质也可有几种不同的“穿越”方式。因此，对物质核L质转运机制的深入研究不仅可以丰富我们对细胞生命过程的理解，而且也为研究肿瘤发生、病毒致病机理以及相关的临床治疗提供了新的思路。参考文献【1】Reya T et al.Nature,2001,414(6859):105111【2】Bonnet D.Biochem Soc Trans,2005,33(Pt 6):15311533【3】Lapidot T et 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