СТРУКТУРА, ФУНКЦИЯ И ДИНАМИКА ЯДЕРНЫХ ПОРОВЫХ КОМПЛЕКСОВ Е.В.Киселева Лаборатория морфологии и функции клеточных структур Институт цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. акад. Лаврентьева, 10 тел.: (3832) 33–35–27, факс: (3832) 33–12–78 еmail: elka@bionet.nsc.ru Ядерный поров ый комплекс (ЯПК) пронизыв ает двухслойную ядерную оболочку (рис. 1.1., а,б,в) и обеспечив ает пассив ный (за счет диффузии) и актив ный (требующий энергетических затрат) транспорт различных молекул между ядром и цитоплазмой. За последние 10 лет благодаря генетическим, молекулярнобиологическим, электронно-микроскопическим и иммуногистохимическим исследов аниям были достигнуты большие успехи в изучении тонкого строения ядерных пор, а также механизмов регуляции молекулярного транспорта [1]. В настоящей статье дается краткое изложение сов ременных представ лений о структуре, функции и динамике ядерных пор и обсуждается роль различных факторов , участв ующих в регуляции ядерно-цитоплазматического транспорта. Структурная организация ядерных пор Ядерная пора – это сложное образов ание, прояв ляющее октагональную симметрию и состоящее из 50 различных белков – нуклеопоринов (всего пора содержит около 1000 белков ). Нуклеопорины сгруппиров аны в комплексы, которые формируют 6 горизонтальных колец, св язанных многочисленными в ертикальными спицами (рис. 1.2., а, б). Почти в се индив идуальные компоненты ЯПК имеют субъединичное строение, что обеспечив ает ее высокую пластичность в процессе молекулярного транспорта. Дв а периферических кольца диаметром около 120 нм – цитоплазматическое и нуклеоплазматическое – ограничив ают центральную часть ядерной поры, состоящую из дв ух зеркально симметричных отделов [2]. Каждый из этих отделов в ключает 3 св язанных друг с другом кольца: в нутреннее, контактирующее с центральным транспортером; среднее, пронизыв ающее участок ядерной мембраны, формирующей пору, и радиальное, расположенное в просв ете между наружной и в нутренней ядерной мембраной. Среднее и радиальное кольца обеспечив ают прочное закрепление поры в ядерной оболочке, а в нутреннее играет роль основ ного каркаса, в округ которого собраны остальные компоненты поры. Центральный канал поры имеет в ариабельный в нутренний диаметр (от 10 до 26 нм) и находится внутри транспортера, состоящего из 4 св язанных между собой частей: 2 симметричных тонкостенных цилиндров и 2 одинаков ых периферических гранул, которые прив язаны 8 фибриллами к периферическим кольцам поры и закрыв ают оба в хода в центральный канал (рис. 1.3.). Периферические отделы ЯПК яв ляются несимметричными, что, в ероятно, св язано с различными механизмами регуляции ядерно-цитоплазматического транспорта молекул через пору на начальных этапах. Со стороны цитоплазмы пора имеет 8 гранул, расположенных на цитоплазматическом кольце, как бусы на нитке, и содержащих короткие фибриллы (рис. 1.1., б), а со стороны нуклеоплазмы – 8 фибрилл, отходящих от нуклеоплазматического кольца и формирующих структуру, похожую на баскетбольную корзину (назв анную баскет) (рис. 1.1., в). В неактив ной поре фиб- риллы баскета закрыв ают в ход в пору, а в актив ной – формируют дополнительное кольцо диаметром около 50 нм. a б в 1.1 1.3 Рис. 1. Реальная структура ядерной оболочки (1.1., a), пор со стороны цитоплазмы (1.1., б) и со стороны ядра (1.1., в), сфотографированных в сканирующем элек1.2 тронном микроскопе. Рис. 1.2. демонстрирует строение поры в двух проекциях: вид сбоку (a) и вид сверху (б), на уровне цитоплазматического кольца (слева) и радиального кольца (справа). Обозначения на рисунке: цитоплазматические филаменты (CF) и гранулы (RS); цитоплазматическое кольцо (CR); ядерная оболочка (ONM, INM); внутреннее кольцо (IS); среднее кольцо (CS); радиальное кольцо (LR); транспортер (T); верхняя периферическая гранула транспортера (TG); баскет (B); спицы (Vo, Vi). Рис. 1.3. Модель транспортера, состоящего из двух цилиндров и двух периферических гранул (Взято из [1]). Структурные организации ЯПК у в ысших организмов , челов ека, птиц, амфибий, насекомых и высших растений сходны и яв ляются в ысоко консерв атив ными. Плотность расположения пор в ядерной оболочке (ЯО) в арьирует в среднем от 13 до 30 пор на 1 мкм 2 пов ерхности ядра, достигая 5000 пор на одно ядро в ооцитах лягушки и ранних эмбрионах дрозофилы. Предполагается, что все ядерные поры яв ляются унив ерсальными и могут обеспечив ать транспорт молекул как в ядро, так и в цитоплазму. Изменение числа поров ых комплексов в ЯО в ысших эукариот может происходить при изменении функционального состояния клеток, в ероятно, за счет их образов ания de novo [3]. В то же в ремя из за тесной св язи с ламиной, фибриллярной сетчатой структурой, расположенной с в нутренней стороны ядерной оболочки, ЯПК не могут изменять св ое местоположение. В отличие от в ысших, низшие эукариоты (дрожжи) не имеют ламины, благодаря чему их ядерные поры могут свободно перемещаться в доль ядерной оболочки, а их плотность в различных участках оболочки может существ енно изменяться. Структура ядерных пор дрожжей до сих пор детально не изучена, хотя показано, что их диаметр (~100 нм) меньше, чем у пор в ысших организмов (~120 нм), а часть нуклеопоринов в них отсутств ует. Это согласуется с недав но опубликов анной моделью организации ЯПК дрожжей [4], демонстрирующей ее более простое строение по срав нению с клетками в ысших эукариот, хотя периферические отделы в порах дрожжей также несимметричны, а центральный канал имеет те же размеры, что и у в ысших эукариот. Наблюдаемая унив ерсальность организации ЯПК предполагает, что именно такое строение необходимо для обеспечения в озможности дв унаправ ленного транспорта молекул через ЯПК. Регуляция транспорта молекул через ядерную пору Транспорт молекул между ядром и цитоплазмой, осуществ ляемый ЯПК, яв ляется жизненно в ажным для обеспечения различных в нутриклеточных процессов , поэтому он контролируется многими факторами. Они в ключают в себя 3 в заимодействующих между собой системы: 1) комплекс биохимических регуляторов , находящихся в ядре или в цитоплазме и св языв ающихся с транспортируемой молекулой и поров ыми структурами; 2) комплекс нуклеопоринов , формирующих ЯПК и способных в заимодейств ов ать друг с другом и биохимическими факторами, и 3) структурный комплекс поры, состоящий из набора индив идуальных компонентов , специфически меняющих св ою конформацию в процессе транспорта и таким образом обеспечив ающих более э ффектив ный перенос молекул в нужном направ лении. Рассмотрим коротко, как регулируется транспорт этими тремя системами. 1. Биохимические регуляторы насчитыв ают 5 основ ных белков : импортин α, импортин β, РАН-белок (гуанозинтрифосфатаза), ГТФ (гуанозинтрифосфат), белок р10, а также ряд других дополнительных факторов , обеспечив ающих актив ацию, ингибиров ание или изменение структурной конформации основ ных белков [5]. Функциональная роль каждого из перечисленных регуляторов была установ лена в исследов аниях, пров еденных либо в системе in vitro (с использов анием экстрактов из ооцитов амфибий), либо in vivo (преиму ществ енно в экспериментах с дрожжев ыми клетками). Процесс импорта молекул в ядро изучен в настоящее в ремя более подробно, чем их экспорт; при этом показано, что часть регуляторных факторов относится к шатлинг-белкам, которые перемещаются через пору в обоих направ лениях и участвуют в регуляции как импорта, так и экспорта молекул из ядра. Перв ым требов анием к транспортируемой молекуле яв ляется наличие в ее структуре сигнальной последов ательности, которая может относиться к одному из четырех описанных в литературе типов (например, PKKKRK для белка нуклеоплазмина). Предполагается, что процесс импорта белка в ядро в ключает в себя несколько последов ательных этапов : сначала импортин β св язывается с импортином α, который затем узнает сигнальную последов ательность в транспортируемой молекуле. Этот тройной комплекс, благодаря в заимодейств ию импортина β с одним из периферических нуклеопоринов , закрепляется на периферическом компоненте поры, в озможно, на цитоплазматической фибрилле. Параллельно с этим РАН-белок св языв ается в цитоплазме с ГТФ, после чего этот комплекс также закрепляется на цитоплазматической фибрилле, благодаря в заимодейств ию РАН-белка с нуклеопорином, недалеко от перв ого комплекса. Все эти процессы происходят без потребления энергии. Затем эти дв а комплекса в заимодействуют между собой и белком р10, обеспечив ающим подготовку периферического отдела центрального канала для транспорта (предполагается, что р10 может открыв ать в ход в центральный канал со стороны цитоплазмы). При этом происходит гидролиз ГТФ, и в есь сформиров анный комплекс, за исключением белка р10, перемещается с цитоплазматической фибриллы в центральную часть поры и далее транспортируется в нутрь ядра. Цитоплазматический вход в центральный канал поры после этого закрыв ается, а переместив шийся в ядро комплекс отделяется от перенесенной молекулы и распадается на димер, состоящий из импортинов α и β, и РАН-ГДФ. Последний комплекс с помощью специфического фактора опять перев одится в РАН-ГТФ, который затем разъединяет импортин α и импортин β [5]. Предполагается, что многие из перечисленных в ыше биохимических факторов могут принимать участие в регуляции не только импорта, но и экспорта белков , а также РНК из ядра в цитоплазму. Однако процесс экспорта мРНК из ядра яв ляется более сложным по срав нению с импортом или экспортом белков , поскольку находится под контролем многих дополнительных факторов , в ключающих различные РНК-св языв ающие белки [6]. Так, например, показано, что при экспорте мРНК из ядра она направ ляется в центральный канал поры 5’-концом, и в ажную роль в этом процессе, в ероятно, играют кэп-связыв ающие белки, находящиеся на 5’-конце мРНК. Показано также, что для каждого класса РНК (мРНК, тРНК, рРНК, сРНК) существуют св ои специфические белки-переносчики, одни из которых отсоединяются от РНК в процессе ее транспорта через пору и остаются в ядре, в то в ремя как другие сопров ождают молекулу РНК в цитоплазму [7]. 2. Из 50 предполагаемых нуклеопоринов (Nup), входящих в состав ядерной поры, в настоящее в ремя описано около 40 белков , 15 из которых уже секв ениров аны. Наиболь шее количеств о этих белков охарактеризов ано у дрожжей (30 белков ), а экспериментальные данные, полученные на в ысших организмах, яв ляются малочисленными [8, 9]. Распределение многих нуклеопоринов на различных структурных компонентах поры было изучено иммуногистохимически [9] с использов анием антител к этим белкам. Рисунок 2,а демонстрирует локализацию некоторых из них. Установ лено, что белки ЯПК можно услов но разделить на 3 группы: перв ая содержит в св оем состав е белки со специфическими повторяющимися последов ательностями (типа FXFG и др.), которые узнаются биохимическими факторами; вторая содержит белки, не имеющие таких последов ательностей, а третья включает так назыв аемые интегральные белки, локализующиеся либо в мембране ядерной оболочки, формирующей пору, либо в участке поры, находящемся в просв ете между ядерными мембранами [8]. Срав нительный анализ нуклеопоринов у в ысших и низших эукариот показал наличие 30–50% гомологии для 4 пар белков : Nup62/Nsp1p; Nup107/Nup84; Nup155/Nup170; Nup98/Nup116 (перв ыми в парах указаны белки в ысших, вторыми – белки низших эукариот; назв ания белков прив одятся согласно общепринятой в литературе классификации). В последнее в ремя было установ лено, что нуклеопорины могут образов ыв ать сложные комплексы, состоящие из 5–7 белков , что, в ероятно, отражает их участие в формиров ании индив идуальных компонентов поры [8]. Некоторые из нуклеопоринов , такие, как Nup 188, Nup 170, Nup 157, Nic 96, Pom 152 состав ляют до 25% массы ядерных пор и присутствуют в 10–20 копиях на одну пору. Получены доказательств а того, что нуклеопорины принимают непосредств енное участие в регуляции транспорта молекул через ЯПК. Благодаря их в заимному контакту, а также в заимодейств ию с биохимическими факторами, несущими транспортируемую молекулу, они могут обеспечив ать ее последов ательную передачу [10], подобно эстафетной палочке, из одного участка ядерной поры в другой (рис. 2,б). Некоторые из нуклеопоринов могут, очев идно, напрямую св языв аться с транспортируемой молекулой. Так, например, Nup153 и Nup98, в ходящие в состав баскет-фибрилл, содержат РНК-св языв ающие домены, а Nup358 и CA N/Nup214, располагающиеся на цитоплазматических фибриллах поры, узнают сигнальные последов ательности некоторых белков . Транспорт молекул через центральные компоненты находится под контролем белка Nup62, который яв ляется самым представ ительным и распределен в доль всего центрального канала [8, 9]. Tpr/p265 а RanBP2/Nup358/Nup188/Nup170 Nup49,/Nup57/Nup96/Nup116 CAN/Nup214/p250 POM 121/POM15 P62 complex Nup57/Nup49 Gp210 Nup153/Nup98 Nup188/Nup170 б Nup153 Nup98 POM12 Cytoplasm Рис. 2. Схематическое распределение нуклеопоринов на структурных компонентах ядерной поры (а) (взято из [9]) и модель функционирования нуклеопоринов в процессе импорта белков (б) (взято из [10]). (NLS, NES – сигнальные последовательности для импорта и экспорта белков соответственно). 3. Использов ание в ысокоразрешающего электронного микроскопа позв олило в перв ые зафиксиров ать конформационные изменения индив идуальных компонентов ЯПК в процессе молекулярного транспорта. Было показано, что экспорт гигантской мРНК, синтезируемой генами колец Бальбиани у хирономуса, сопров ождается циклической реорганизацией баскета и транспортера, функционирующих, как система открыв ающихся и закрыв ающихся диафрагм [2, 11]. Согласно наблюдениям, сделанным нами в сканирующем электронном микроскопе (рис. 3), в неактив ной поре оба в хода в центральный канал поры закрыты периферическими гранулами транспортера [2]. Кроме того, в ход в пору со стороны ядра дополнительно закрыт фибриллами баскета. На перв ом этапе молекула РНК, упаков анная в процессе транскрипции с белками в 50 нм РНП частицу, перемещается в нутри ядра к поре и прикрепляется к в ерхушке баскета [11]. Предполагается, что Nup153 и Nup98, в ходящие в состав баскета, принимают актив ное участие в этом событии. Баскет-фибриллы формируют ув еличив ающееся в размере кольцо, которое постепенно захв атыв ает частицу, и она погружается в нутрь баскета. Поскольку максимальный диаметр центрального канала ЯПК состав ляет всего 26 нм, РНП частица в нутри баскета декомпактизуется в 26 нм фибриллу. Было также обнаружено, что РНП частица в ращается в нутри баскета, что, в ероятно, связано с необходимостью ее транспортиров ки в пору 5’-концом. Таким образом, баскет в ыполняет как бы роль «таможни», пров еряя и подготав лив ая молекулу РНП к транспорту через пору. Рис. 3. Последовательные стадии (ае, слева направо) прохождения мРНП (из колец Бальбиани хирономуса) через поровый комплекс. Верхний ряд показывает, как этот процесс виден на электронномикроскопических срезах; следующие три ряда – в сканирующем электронном микроскопе. Второй ряд сверху демонстрирует поры со стороны ядра; третий ряд показывает внутренние отделы поры; нижний ряд демонстрирует поры со стороны цитоплазмы (взято из [2]). На следующем этапе в периферической грануле транспортера открыв ается отв ерстие и РНП фибрилла начинает перемещаться в нутрь поры [2]. Внутренний диаметр центральных цилиндров транспортера, имев ший до этого размер 10 нм, расширяется до 26 нм, и фибрилла транспортируется через них дальше, в сторону цитоплазмы. Периферическая гранула транспортера со стороны цитоплазмы также формирует отв ерстие диаметром 26 нм, и РНП фибрилла постепенно полностью в ыходит в цитоплазму, где начинается процесс трансляции. После окончания транспорта в се компоненты ЯПК быстро в озв ращаются в исходное состояние. Было установ лено, что в процессе транспорта периферические гранулы транспортера могут перемещаться в в ертикальном направ лении на 5 нм, а сама пора – уплощаться или в ытягив аться, способствуя таким образом более эффектив ному перемещению транспортируемой молекулы. Все эти данные св идетельств уют о том, что ЯПК яв ляется очень пластичной и динамичной структурой, непосредств енно участвующей в регуляции транспорта. Поскольку пора с одной стороны тесно св язана с ламиной и, следов ательно, с ядерным матриксом, а с другой – через ядерную оболочку с цитоскелетом, процесс транспорта через ЯПК может также регулиров аться на уров не этих в нутриклеточных структур. Сборка ядерных пор in vitro происходит через интермедиаты До настоящего в ремени в опрос о формиров ании и распаде ядерной оболочки (ЯО) и ЯПК в процессе митоза in vivo остается недостаточно изученным. Однако недав ние эксперименты по инкубации цитоплазматического экстракта из ооцитов амфибий с хроматином спермы in vitro позв олили при использов ании в ысокоразрешающей сканирующей электронной микроскопии получить нов ые данные о регуляции этого процесса. Было показано, что за 1,5–2,5 часа инкубации в такой системе формируются функционально актив ные (способные к репликации и транскрипции) ядра со зрелыми ЯПК [12]. Последов ательные этапы этого процесса представ лены на рисунке 4,а. На перв ом этапе гладкие и шерохов атые пузырьки эндоплазматического ретикулума св языв аются с пов ерхностью деконденсирующегося хроматина и сплав ляются в месте, формируя в нутреннюю и наружную ядерные мембраны [13]. Для осуществ ления этого процесса необходимы ионы Са 2+ и большое количеств о энергии, постав ляемой ГТФ и АТФ [12, 13]. После формиров ания в округ хроматина замкнутой ЯО начинается сборка ЯПК. Сначала в различных местах ЯО появ ляются небольшие ямки, которые затем прев ращаются в 10–20 нм пустые поры (рис. 4, б, в). После этого размер пор ув еличив ается до 40 нм и далее начинается последов ательное формиров ание сначала в нутренних, а затем периферических компонентов поры. Установ лено, что сборка состав ляющих пору компонентов происходит фрагментарно, сначала образуется одна состав ляющая компонент субъединица, затем вторая и т.д. При этом пора постепенно ув еличив ается в размере и за 4–6 минут прев ращается в зрелую пору диаметром 110–120 нм [12]. До сих пор не ясно, каков а последов ательность сборки белков при формиров ании ЯПК de novo. Предполагается, что специфические белки, св языв аясь с мембранами ЯО, стимулируют их постепенное сближение и слияние, после чего к этому участку мембраны присоединяются интегральные белки POM121 и gp210, которые стабилизируют сформиров анное отв ерстие. Затем сюда достав ляются другие нуклеопорины, необходимые для формиров ания центральных (комплекс р62) и периферических компонентов (Nup 358, Nup 214, Nup 153 и т.д.) поры, и, наконец, зрелая пора дополнительно закрепляется в ЯО с помощью белков ламины [13]. С использов анием митотического экстракта в опытах in vitro, было показано, что распад ЯО происходит за счет отщепления от нее пузырьков эндоплазматического ретикулума (ЭР), а разборка ЯПК идет через промежуточные структуры, похо- жие на интермедиаты, которые наблюдаются при сборке ЯПК. При этом сначала разбираются периферические, а затем центральные компоненты ЯПК [13]. а б в Рис. 4. Схематическое изображение формирования ядерной оболочки вокруг компактного хроматина (а) (взято из [13]) и демонстрация последовательных этапов формирования ядерных пор через интермедиаты, наблюдаемые в экспериментах in vitro на фотографии (б) и в виде схемы (в) (взято из [12]). Интересно, что если сборка ЯО в системе in vitro пров одится в отсутств ие хроматина, то наблюдается формиров ание специфических мембран ЭР, назв анных дырчатыми ламеллами (AL), которые содержат пороподобные структуры [14]. Предполагается, что эти структуры представ ляют собой депо незрелых ЯПК и могут участв ов ать в сборке ЯПК в митозе, однако механизмы регуляции этого процесса, а также особенности встраив ания этих ламелл в ЯО in vivo почти не изучены. Заключение Представ ленный короткий обзор данных о структуре, функции и динамике ЯПК св идетельствует о том, что несмотря на стремительный прогресс, достигнутый в последние годы, многие в опросы в этой области все еще остаются неисследов анными. К ним относятся такие, как изучение механизмов , регулирующих реорганизацию ЯПК на разных стадиях молекулярного транспорта; анализ функциональной роли многих нуклеопоринов и особенности их в заимоотношений в состав е поры; исследов ание путей распада и сборки ЯО и ЯПК в процессе митоза, мейоза и клеточного роста in vivo, а также механизмов регуляции этих процессов ; в ыяснение регуляторной роли ядерного матрикса и цитоскелета в отношении ядерно-цитоплазматического транспорта молекул и многие другие. Использов ание для исследов ания этих в опросов комбинации многочисленных сов ременных методов ; изучение структуры ЯО и ЯПК у различных объектов на разных стадиях клеточного цикла; анализ многочисленных мутантов с нарушениями синтеза белков , которые участвуют в регуляции транспорта, а также исследов ание динамики ЯО и ЯПК на разных этапах жизнедеятельности клетки позв олит яснее понять тонкие механизмы функциониров ания и роли такого в ажного в нутриклеточного компонента, как ядерная пора в молекулярном транспорте. Работа в ыполнена при финансов ой поддержке Российского фонда фундаментальных исследов аний, грант № 98–04–49616. Cписок литературы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 12. 13. Davis L.I. The nuclear pore complex // Annu. Rev. Biochem. 1995. V. 64. P. 865–896. Kiseleva E., Goldberg M.W., Allen T.D, Akey C.W. Active nuclear pore complexes in Chironomus: visualization of transporter configurations related to mRNP export // J. Cell Sci. 1998. V. 111. P. 223–236. Maul G.G. The nuclear and cytoplasmic pore complex: structure, dynamics, distribution, and evolution // Int. Rec. Cytol. 1977. V. 6. P. 75–186. Yang Q., Rout M.P., Akey C.W. Three-dimensional architecture of the isolated yeast nuclear pore complex: functional and evolutionary implications // Mol. Cell. 1998. V. 1. P. 223–234. Gorlich D. Transport into and out of the cell nucleus // EMBO. 1998. V. 17. P. 2721–2727. Stutz F., Rosbach M. Nuclear RNA export // Gen. Dev. 1998. V. 12. P. 3303–3319. Visa N., Alzhanova-Ericsson A.T., Sun X. et al. A pre-mRNA binding protein accompanies the RNA from the gene through the nuclear pores into polysomes // Cell. 1996. V. 84. P. 253–264. Fabre E., Hurt E. Yeast Genetics to dissect the nuclear pore complex and nucleoplas mic trafficking // Annu. Rev. Genet. 1997. V. 31. P. 277–313. Fahrenkrog B., Hurt. E.C., Aebi U., Pante N. Molecular architecture of the yeast nuclear pore complex: localiz ation of Nsp1p subcomplexes // J. Cell Biol. 1998. V. 143. P. 577–588. Fritz C.C., Green M.R. HIV REV uses a conserved cellular protein export pathw ay for the nucleoplas mic transport of viral RNAs // Curr. Biol. 1996. V. 6. P. 848–854. Kiseleva E.V., Goldberg M.W., Daneholt B., Allen T.D. RNP export is mediated by structural reorganization of the nuclear pore complex // J. Mol. Biol. 1996. V. 260. P. 304–311. Goldberg M.W., Wies C., Allen T.D., Wilson K.L. Dimples, pores, star-rings, and thin rings on grow ing nuclear envelopes: evidence for structural intermediates in nuclear pore assembly // J. Cell Sci. 1997. V. 110. P. 409–420. Marshall I.C.B., Wilson K.L. Nuclear envelope assembly after mitosis // Trends in Cell Biol. 1997. V. 7. P. 69–74. Meier E., Miller B.R., Forbes D.J. Nuclear pore complex assembly studied w ith a biochemical assay for annulate lamellae formation // J. Cell Biol. 1995. V. 129. P. 1459–1472.