穿过核被膜：核质转运地有序调控

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， 是由大于 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方便地进出。核孔蛋白（核孔复合体的组成蛋白）在 的组装和功能中起精确的作用。核孔蛋白有助于整个 的构建，孔膜蛋白将锚定在核被膜上。 包含三种类别的，它们包括三种不同的结构域，分别为、或者 的重复功能域，它们可以通过带电或极性的隔离序列隔离。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，未折叠的自然地结构域也许在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 的蛋白运输则需要特殊的转运受体。这个 在形成通透性屏障中起重要作用，尽管形成屏障的结构被报道过。 对于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、随机的低亲和性的重复序列相互作用。在 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，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，排斥未结合的分子。结合重复序列的手提被位于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，它由位于重复序列或其他 之间的水媒性的隔离序列组成。这就形成了一个由连续形成的结构，它允许配体受体复合物停靠并沿着周围的转动。转移和可能的屏障对于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。大多数的是双向结合转运物，尽管B通常用受体来识别转运物。a同源物提供B和转运物之间的受体。 a家庭成员的双向运输是通过 来完成的，而且可能被 结合位点影响。非B转运受体包括 、运输因子 和平常输出因子 ，和 ，它和与 分别组成异源二聚体。……例如啤酒酵母（ ） 的核糖体亚基（9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， 标记的大分子B连锁蛋白直接作用于 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： （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）。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一一潜在地影响被受体识别的所有物质。水平的改变更普遍，并且 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 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的专一性。介导配体定位反应的受体蛋白和受体 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 K和 信号完美的表现了转运信号对核定位的控制。核输入转录因子的异型二聚体 被它的分子间 掩盖所调控。晶体结构研究显示 K抑制因子直接闭锁了 的 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，Ka被有序的降解， K因核输入而被释放。肿瘤抑制因子 穿梭于核质之间，在细胞应急时在细胞核内通过“掩盖”机制，这个机制是靠同型四聚体掩藏，来阻断其与 B的联系。 在核质中的穿梭正进一步被 与 相互影响的多聚复合物阻止。 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 B受体或 a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 和 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 依赖磷酸化与 B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，在有丝分裂开始时磷酸化它的 来阻碍它与 的相互作用引起周期蛋白的核阻留。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。解旋酶的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 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（）调控双向的核质运输（）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）的结构。样品制备如（）所述影像提供：, 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一货物蛋白复合体（）,然后受体一货物蛋白复合体停泊在 的近侧（）在进行与易位中 的有序、随机、低亲和力的相互作用之前（）在 的远侧，受体一货物蛋白复合体分解并释放货物蛋白

（）0对于B的转入，复合体的分解是由和受体绑定的细胞核内 启动的；对于B的输出，在输出受体一货物蛋白复合体中的 在 激活蛋白（ ）的作用下水解为 ，使得复合物分解。鸟苷酸交换因子（ ）存在于细胞核,它使得 大量集中，而且 由（未标示）转入细胞核射后，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（（）单个的 具有同时双向转移蛋白质和的能力。用金原子标记的运输底物显微注（）单个的 具有同时双向转移蛋白质和的能力。用金原子标记的运输底物显微注—埃）连接到胞质（），且金原子标记的 （一埃）连接到细胞核（）o核膜在蓝光的照射下发亮。经允许从（）中复制毛孔渗透性膨胀在细胞和 中重置蛋白质的表达和稳定性表达降解转录因子表达竞争 结合位点b和a表达隔绝抑制输出的因子b和 a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拼接和 成熟化' 核酸的成熟化'由信号因子保护核酸'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 和核细胞质运输是在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 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。在细胞质中发挥作用，且它的输出通过与B输出因子直接相互作用而紧密连接在它的个成熟位点， 的核输出子系统直接被顺式作用 信号元件调节。逆转录病毒用一个直接连接转运受体 的组成转录元件来转录。奇怪的是， 在许多的剪接体中也编码 。对于连接到特定细胞周期控制区的很多基因产物来说，在 的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 。 在这些元件上的组装以 作为 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 核滞留并且有效的调节基因表达，肿瘤相关的细胞因子 的 含有一个 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B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 交替转录中的引起核滞留，直到应力条件允许转录后加工和输出。信号元件和 中的六聚体序列对于核输出都是必须的。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，特别的蛋白质会相互吸引形成 ，在剪接、形成一帽子和 过程中，会发生一系列变化。经调整的成熟的 需要被转运出去。而缺乏导致 被保留在核内。 转运出这一过程重要的一步是募集转运受体 定向结合到 上，定向的释放 到细胞质中。在转运过程中， 组成的改变可以通过依赖酶通过 接合 和肌醇六磷酸空间活化来潜在的协调。在 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 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 和 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。酿酒酵母菌至少有种不同的运输受体。包括种B家族成员，一个a、和 异二聚体。多细胞生物有约种已知B家族成员，多种同源a、 和至今所知的种家族成员，这些受体相互组成一个特殊的或亚基，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a的组织特殊表达直接调节被转入的物质。事实上,畸变的a表达方式导致了低水平的繁殖率和胚胎发生，人的a也可展现特殊组织的表达方式。a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，a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a控制物质转入的调节。而且可使用一个a配体和B来扩大转入调节的功能性范围，尔这一功能是一个B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 B或者是a家族成员的过量表达，在结肠、乳房和肺的癌细胞中被发现。 a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 a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， a或a被 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。B之间的 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 B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B水平可以提高转运速率；然而，对于某一个B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 结合位点。由于大约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B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结构域的选择性。在啤酒酵母中对中的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的缺失有关。这表明 有多个不依赖的通路，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，核质易位也可受途径中的运输受体的竞争的影响。中的大规模调控机制上面强调了 建立的高效运输特异转运受体的途径。另外， 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。 屏障的完整性通过 组分的改变被潜在地控制着。在丝状真菌 和海星 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 的一个组分解装配。特异的 可能是磷酸化作用的分解目标，结果导致有丝分裂具有更强的通透性。止匕外，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 结构开始改变， 的磷酸化媒介作用机制改变了特异的转运结果。 亚结构 的重新定位改变了 的结合位点，对核输入 货物蛋白产生直接后果。因为 也对小的泛素化的修饰蛋白酶 的合适的亚细胞有定位作用，这可能是和 突变体中修饰 （胞裂蛋白）去泛素化作用模型的基础。这些组分的暂时变异也出现在一些发展的方案中，在那里， 的表达模式和微孔哺乳动物蛋白 被限制在一些小鼠的特定组织中。同样， 和 的同源物和 表达产物对 的间接输出有抑制作用。甚至在单个啤酒酵母核中， 相关蛋白的特异定位作用表明 亚群有有专门的运输职能。进入细胞核对于大部分和一些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 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 输出因子 和 还下调细胞 的输出需要这些输出因子和一个特定的 结合位点，从而有效的阻断。但是，因为病毒的运输不依赖于宿主的 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Y介导上调 直接竞争，最后，的诱导和降解之间的平衡影响细胞是否被病毒感染。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。（）分子间和分子内的相互作用（ 分别的）调节单一核输出物的运输。（）个别核输物出物的运输通过翻译后修饰（泛素化的）和转录后修饰（剪接）来调节（）转运受体的表达方式改变了核输出物的移位。a亚型的表达指导被输出地运输物（彩色编码六边形）（）流感病毒隔离输出受体 阻断细胞输出（）核孔复合物的组成广泛地影响转运，流感病毒下调 从而消除一个关键的细胞输出因子的结合位点。（）核孔复合物渗透屏障阻挡大分子（ ）的自由扩散小分子的移动可以不依赖转运受体。除了改变 的结合能影响特定的受体和渗透屏障外， 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 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， 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 的结构。尽管中央水通道直径约为纳米， 还是能够有效地转运大的货物蛋白，如约到 （约 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 。如体涂金粒子的转运受体也能够被易位。有趣的是， 和 的—射线晶体结构表明，这两种 可能通过它们共同的a螺旋的相互用的表面相互承载，这个相互作用的表面有约1移动的潜力。 和 两者都位于 通道的中部，估计圆形的Nup的滑动可能会增大NPC的直径，使其达约30A,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NupS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NPC的组分来广泛影响运输能力和孔的结构的机制。进一步的理解转运调控我们已经概述了核质运输调控的重要性，讨论了如何在多水平下完成调控。然而在每一个水平上都有未解决的问题。在最基本的阶段，进一