Poro nuclear - Nuclear pore

Poro nuclear
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Diagrama do núcleo da célula humana. Poro nuclear rotulado no canto inferior esquerdo
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Poro nuclear. Vista lateral. 1. Envoltório nuclear. 2. Anel externo. 3. Raios. 4. Basket. 5. Filamentos. (O desenho é baseado em imagens de microscopia eletrônica)
Detalhes
Identificadores
Latina Porus nuclearis
Malha D022022
º H1.00.01.2.01005
FMA 63148
Terminologia anatômica

Um poro nuclear é uma parte de um grande complexo de proteínas , conhecido como complexo de poro nuclear que abrange o envelope nuclear , que é a membrana dupla que envolve o núcleo da célula eucariótica . Existem aproximadamente 1.000 complexos de poros nucleares (NPCs) no envelope nuclear de uma célula de vertebrado, mas isso varia dependendo do tipo de célula e do estágio do ciclo de vida. O complexo de poro nuclear humano (hNPC) é uma estrutura de 110 megadalton (MDa). As proteínas que compõem o complexo do poro nuclear são conhecidas como nucleoporinas ; cada NPC contém pelo menos 456 moléculas de proteína individuais e é composto por 34 proteínas de nucleoporina distintas. Cerca de metade das nucleoporinas normalmente contêm domínios de proteínas solenóides - um alfa solenóide ou uma dobra de hélice beta ou, em alguns casos, ambos como domínios estruturais separados . A outra metade mostra características estruturais típicas de proteínas "nativamente desdobradas" ou intrinsecamente desordenadas , ou seja, são proteínas altamente flexíveis que carecem de uma estrutura terciária ordenada. Essas proteínas desordenadas são as nucleoporinas FG , assim chamadas porque sua sequência de aminoácidos contém muitas repetições de fenilalanina - glicina .

Os complexos de poros nucleares permitem o transporte de moléculas através do envelope nuclear. Este transporte inclui RNA e proteínas ribossômicas que se movem do núcleo para o citoplasma e proteínas (como DNA polimerase e laminas ), carboidratos , moléculas de sinalização e lipídios que se movem para o núcleo. É notável que o complexo de poro nuclear (NPC) pode conduzir ativamente 1000 translocações por complexo por segundo. Embora moléculas menores simplesmente se difundam através dos poros, moléculas maiores podem ser reconhecidas por sequências de sinal específicas e então serem difundidas com a ajuda de nucleoporinas para dentro ou para fora do núcleo. Recentemente, foi demonstrado que essas nucleoporinas têm características conservadas evolutivamente específicas codificadas em suas sequências que fornecem informações sobre como regulam o transporte de moléculas através do poro nuclear. O transporte mediado pela nucleoporina não requer energia diretamente, mas depende dos gradientes de concentração associados ao ciclo de RAN . Cada uma das oito subunidades de proteína que cercam o poro real (o anel externo) projeta uma proteína em forma de raio sobre o canal dos poros. O centro do poro freqüentemente parece conter uma estrutura semelhante a um tampão. Ainda não se sabe se isso corresponde a um plugue real ou se é apenas uma carga capturada em trânsito.

Tamanho e complexidade

Todo o complexo de poros nucleares tem um diâmetro de cerca de 120 nanômetros em vertebrados. O diâmetro do canal varia de 5,2 nanômetros em humanos a 10,7 nm na rã Xenopus laevis , com uma profundidade de aproximadamente 45 nm. O mRNA, que é de fita simples, tem uma espessura de cerca de 0,5 a 1 nm. A massa molecular do NPC mamífero é de cerca de 124 megadaltons (MDa) e contém aproximadamente 30 diferentes componentes de proteína, cada um em múltiplas cópias. Em contraste, a levedura Saccharomyces cerevisiae é menor, com massa de apenas 66 MDa.

Transporte através do complexo de poros nucleares

Mais informações: Transporte nuclear
O ciclo Ran-GTP, importação e exportação nuclear
Poros nucleares, lâmina e cromatina

Partículas pequenas (até 30-60 kDa ) são capazes de passar pelo complexo de poros nucleares por difusão passiva. Partículas maiores também são capazes de se difundir passivamente através do grande diâmetro do poro, a taxas que diminuem gradualmente com o peso molecular. A passagem eficiente pelo complexo requer vários fatores protéicos e, em particular, receptores de transporte nuclear que se ligam a moléculas de carga e medeiam sua translocação através do NPC, seja para o núcleo ( importinas ) ou fora dele ( exportinas ). A maior família de receptores de transporte nuclear são as carioferinas , que incluem dezenas de importinas e exportinas; esta família é ainda subdividida nas subfamílias carioferina-α e carioferina-β. Outros receptores de transporte nuclear incluem NTF2 e algumas proteínas semelhantes a NTF2.

Três modelos foram sugeridos para explicar o mecanismo de translocação:

  • Gradientes de afinidade ao longo do plug central
  • Gating de afinidade browniana
  • Fase seletiva

Importação de proteínas

Artigo principal: Sinal de localização nuclear

Qualquer carga com sinal de localização nuclear (NLS) exposto será destinada a transporte rápido e eficiente pelo poro. Várias sequências NLS são conhecidas, geralmente contendo uma sequência conservada com resíduos básicos, como PKKKRKV . Qualquer material com NLS será levado pelos importins ao núcleo.

O esquema clássico de importação de proteína NLS começa com a ligação da Importin-α primeiro à sequência NLS, que então atua como uma ponte para a ligação da Importin-β. O complexo de carga importinβ — importinα — é então direcionado para o poro nuclear e se difunde através dele. Uma vez que o complexo está no núcleo, RanGTP liga-se ao Importin-β e desloca-o do complexo. Em seguida, a proteína de susceptibilidade à apoptose celular (CAS), uma exportina que no núcleo está ligada ao RanGTP, desloca a Importina-α da carga. A proteína NLS está, portanto, livre no nucleoplasma. O complexo Importinβ-RanGTP e Importinα-CAS-RanGTP se difunde de volta para o citoplasma onde os GTPs são hidrolisados ​​em GDP levando à liberação de Importinβ e Importinα que se tornam disponíveis para uma nova rodada de importação de proteína NLS.

Embora a carga passe pelo poro com a ajuda de proteínas chaperonas, a translocação através do poro em si não é dependente de energia. No entanto, todo o ciclo de importação precisa da hidrólise de 2 GTPs e, portanto, é dependente de energia e deve ser considerado como transporte ativo . O ciclo de importação é alimentado pelo gradiente de RanGTP nucleo-citoplasmático. Este gradiente surge da localização nuclear exclusiva de RanGEFs, proteínas que trocam GDP por GTP em moléculas de Ran. Assim, há uma concentração elevada de RanGTP no núcleo em comparação com o citoplasma.

Exportação de proteínas

Algumas moléculas ou complexos macromoleculares precisam ser exportados do núcleo para o citoplasma, assim como as subunidades dos ribossomos e os RNAs mensageiros . Portanto, existe um mecanismo de exportação semelhante ao mecanismo de importação.

No esquema de exportação clássico, as proteínas com uma sequência de exportação nuclear (NES) podem se ligar no núcleo para formar um complexo heterotrimérico com uma exportina e RanGTP (por exemplo, a exportina CRM1). O complexo pode então se difundir para o citoplasma onde o GTP é hidrolisado e a proteína NES é liberada. CRM1-RanGDP se difunde de volta para o núcleo onde o GDP é trocado por GTP por RanGEFs. Este processo também é dependente de energia, pois consome um GTP. A exportação com a exportina CRM1 pode ser inibida pela leptomicina B.

Exportação de RNA

Veja também: Gene gating

Existem diferentes caminhos de exportação através do NPC para cada classe de RNA existente. A exportação de RNA também é mediada por sinal (NES); o NES está em proteínas de ligação a RNA (exceto para tRNA que não tem adaptador). É notável que todos os RNAs virais e celulares ( tRNA , rRNA , U snRNA , microRNA ), exceto mRNA, são dependentes de RanGTP. Fatores de exportação de mRNA conservados são necessários para a exportação nuclear de mRNA. Os fatores de exportação são Mex67 / Tap (subunidade grande) e Mtr2 / p15 (subunidade pequena). Em eucariotos superiores, a exportação de mRNA é considerada dependente do splicing, que por sua vez recruta um complexo de proteínas, TREX, para mensagens splicing. TREX funciona como um adaptador para TAP, que é uma proteína de ligação de RNA muito pobre. No entanto, existem caminhos alternativos de exportação de mRNA que não dependem de splicing para mensagens especializadas, como histonas. Trabalhos recentes também sugerem uma interação entre a exportação dependente de splicing e uma dessas vias alternativas de exportação de mRNA para transcrições secretoras e mitocondriais.

Assembleia do NPC

Núcleo celular com poros.

Como o NPC controla o acesso ao genoma, é essencial que ele exista em grandes quantidades nos estágios do ciclo celular em que muita transcrição é necessária. Por exemplo, o ciclo de células de mamíferos e leveduras duplica a quantidade de NPC no núcleo entre as fases G1 e G2 do ciclo celular , e os oócitos acumulam um grande número de NPCs para se preparar para a mitose rápida que existe nos estágios iniciais de desenvolvimento. As células interfásicas também devem manter um nível de geração de NPCs para manter os níveis de NPC constantes na célula, pois alguns podem ser danificados. Algumas células podem até aumentar o número de NPCs devido ao aumento da demanda transcricional.

Teorias de montagem

Existem várias teorias sobre como os NPCs são montados. Como a imunodepleção de certos complexos de proteínas, como o complexo Nup 107-160, leva à formação de núcleos sem poros, parece provável que os complexos Nup estejam envolvidos na fusão da membrana externa do envelope nuclear com o interno e não que o a fusão da membrana inicia a formação do poro. Há várias maneiras de isso levar à formação de um NPC completo.

  • Uma possibilidade é que, como um complexo proteico, ele se ligue à cromatina . Em seguida, é inserido na membrana dupla perto da cromatina. Isso, por sua vez, leva à fusão dessa membrana. Em torno deste complexo de proteínas, outras eventualmente se ligam formando o NPC. Este método é possível durante todas as fases da mitose, uma vez que a membrana dupla está presente em torno da cromatina antes que o complexo de proteínas de fusão da membrana possa se inserir. As células pós-mitóticas podem formar uma membrana primeiro com poros sendo inseridos após a formação.
  • Outro modelo para a formação do NPC é a produção de um prepore como início, em oposição a um único complexo de proteína. Este prepore se formaria quando vários complexos Nup se juntassem e se ligassem à cromatina. Isso faria com que a membrana dupla se formasse em torno dele durante a remontagem mitótica. Possíveis estruturas de pré-núcleo foram observadas na cromatina antes da formação do envelope nuclear (NE) usando microscopia eletrônica. Durante a interfase do ciclo celular, a formação do pré-núcleo aconteceria dentro do núcleo, cada componente sendo transportado através de NPCs existentes. Esses Nups se ligariam a uma importina, uma vez formada, evitando a montagem de um pré-núcleo no citoplasma. Uma vez transportado para o núcleo, o Ran GTP se ligaria à importina e faria com que ela liberasse a carga. Esse Nup estaria livre para formar um prepore. Foi demonstrado que a ligação das importinas traz pelo menos as nucleoporinas Nup 107 e Nup 153 para o núcleo. A montagem NPC é um processo muito rápido, embora ocorram estados intermediários definidos, o que leva à ideia de que essa montagem ocorre em etapas.

Desmontagem

Durante a mitose, o NPC parece se desmontar em etapas. Nucleoporinas periféricas como o Nup 153 Nup 98 e o Nup 214 se desassociam do NPC. As demais, que podem ser consideradas proteínas-esqueleto, permanecem estáveis, como complexos de anéis cilíndricos dentro do envelope nuclear. Acredita-se que essa desmontagem dos grupos periféricos NPC seja em grande parte conduzida pelo fosfato, já que várias dessas nucleoporinas são fosforiladas durante os estágios da mitose. No entanto, a enzima envolvida na fosforilação é desconhecida in vivo. Em metazoários (que sofrem mitose aberta), o NE se degrada rapidamente após a perda dos Nups periféricos. A razão para isso pode ser devido à mudança na arquitetura do NPC. Essa alteração pode tornar o NPC mais permeável às enzimas envolvidas na degradação do NE, como a tubulina citoplasmática, além de permitir a entrada de proteínas reguladoras mitóticas chave. Em organismos que sofrem uma mitose semiaberta, como o fungo filamentoso Aspergillus nidulans , 14 das 30 nucleoporinas se desmontam da estrutura de andaime central, impulsionada pela ativação das quinases NIMA e Cdk1 que fosforilam nucleoporinas e abrem poros nucleares, alargando assim o poro nuclear e permitindo a entrada de reguladores mitóticos.

Preservação de integridade

Foi demonstrado, em fungos que sofrem mitose fechada (onde o núcleo não se desmonta), que a mudança da barreira de permeabilidade do NE se deveu a mudanças dentro do NPC e é o que permite a entrada de reguladores mitóticos. Em Aspergillus nidulans a composição de NPC parece ser efetuada pela quinase mitótica NIMA, possivelmente por fosforilação das nucleoporinas Nup98 e Gle2 / Rae1. Essa remodelação parece permitir que o complexo proteico cdc2 / ciclinB entre no núcleo, assim como muitas outras proteínas, como a tubulina solúvel. O andaime NPC permanece intacto durante toda a mitose fechada. Isso parece preservar a integridade do NE.

Referências

links externos