נקבובית גרעינית: מאפיינים, פונקציות, רכיבים - ביולוגיה - 2025

נקבוביות הגרעין (מיוונית, נקבוביות = מעבר או מעבר) הוא "השער" של הגרעין המאפשר ביותר של התחבורה בין nucleoplasm ו בציטופלסמה. הנקבובית הגרעינית מצטרפת לקרום הפנימי והחיצוני של הגרעין ליצירת תעלות המשמשות להעברת חלבונים ו- RNA.

המילה נקבוביות אינה משקפת את המורכבות של המבנה המדובר. בגלל זה, עדיף להתייחס למתחם הנקבוביות הגרעיניות (CPN) ולא לנקבובית הגרעינית. CPN יכול לעבור שינויים במבנה שלו במהלך הובלה או מצבים של מחזור התא.

מקור: RS Shaw בוויקיפדיה האנגלית.

לאחרונה התגלה כי לנוקלאופורינים, חלבונים המרכיבים את ה- CPN, תפקיד חשוב בוויסות ביטוי הגנים. לפיכך, כאשר מתרחשות מוטציות המשפיעות על תפקודם של נוקלאופורינים, פתולוגיות מופיעות אצל בני אדם, כמו מחלות אוטואימוניות, קרדיומיופתיות, זיהומים נגיפיים וסרטן.

מאפיינים

באמצעות טומוגרפיה אלקטרונית נקבע כי CPN עובי של 50 ננומטר, קוטר חיצוני בין 80 ל 120 ננומטר וקוטר פנימי של 40 ננומטר. ניתן לייצא מולקולות גדולות כמו תת היחידה הגדולה של הריבוזום (MW 1590 kDa) מהגרעין דרך ה- CPN. ההערכה היא כי ישנם בין 2,000 ל- 4,000 NPC לגרעין.

המשקל המולקולרי של CPN בודד הוא בערך בין 120 ל 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) בחוליות. לעומת זאת, CPN קטן יותר בשמרים, בו הוא בערך 60 MDa. למרות גודלו העצום של ה- CPN, נוקליאופורינים שמורים מאוד בכל האוקריוטים.

התרגום דרך CPN הוא תהליך מהיר שהמהירות שלו היא 1000 טרנסלוקציות בשנייה. עם זאת, CPN לא קובע בעצמו את כיוון זרימת התובלה.

זה תלוי בדרגת ה- RanGTP, שהיא גדולה יותר בגרעין מאשר בציטוזול. שיפוע זה נשמר על ידי גורם חילופי גואנין רן.

במהלך מחזור התאים, CPNs עוברים מחזורי הרכבה וחוסר שמירה של רכיביהם. ההרכבה מתרחשת בממשק ומיד לאחר המיטוזה.

מאפיינים

יש להעביר באופן פעיל דרך חומצה ריבונוקלאית (RNA גרעיני קטן, RNA מסר, RNA העברת), חלבונים וריבונוקלופרוטאינים (RNP). משמעות הדבר היא שהאנרגיה מההידרוליזה של ATP ו- GTP נדרשת. כל מולקולה מועברת בדרך ספציפית.

באופן כללי, מולקולות RNA גדושות בחלבונים היוצרים מתחמי RNP, המיוצאים בדרך זו. לעומת זאת, חלבונים המועברים באופן פעיל לגרעין חייבים להיות בעלי רצף אות לוקליזציה גרעיני (SLN), ולהם שאריות של חומצות אמינו טעונות חיובית (למשל KKKRK).

חלבונים המיוצאים לגרעין חייבים להיות בעלי ייצוא גרעין (NES) העשיר בחומצת האמינו לאוצין.

בנוסף להקלה על הובלה בין הגרעין לציטופלזמה, CPNs מעורבים בארגון הכרומטין, ויסות ביטוי הגנים ותיקון DNA. Nucleoporins (Nups) מעודדים הפעלה או דיכוי של תעתיק, ללא קשר למצב התפשטות התאים.

בשמרים, Nups נמצאים ב- CNP של המעטפה הגרעינית. במטאזואנים הם נמצאים בפנים. הם מבצעים את אותן פונקציות בכל האוקריוטות.

יבוא חומרים

דרך ה- CPN ישנה דיפוזיה פסיבית של מולקולות קטנות לשני הכיוונים והובלה פעילה, יבוא של חלבונים, ייצוא של RNA וריבונוקלופרוטאינים (RNPs), והמעבורת המולקולה דו כיוונית. האחרון כולל RNA, RNP וחלבונים המעורבים באיתות, ביוגנזה ומחזור.

ייבוא ​​חלבונים לגרעין מתרחש בשני שלבים: 1) קשירת החלבון לצד הציטופלסמתי של ה- CPN; 2) טרנסלוקציה תלויה ATP דרך CPN. תהליך זה מחייב הידרוליזה של ATP והחלפת GTP / GDP בין הגרעין לציטופלזמה.

על פי מודל תובלה, מתחם הקולטן-חלבון נע לאורך התעלה על ידי חיבור, ניתוק וחיבור מחדש לרצפי ה- FG החוזרים על עצמם של נוקלאופורינים. באופן זה המתחם עובר מנוקלאופורין אחד למשנהו בתוך ה- CPN.

יצוא של חומרים

זה דומה לייבוא. רן GTPase אוכף כיווניות בהובלה דרך CNP. רן הוא מתג מולקולרי עם שני מצבי קונפורמציה, תלוי אם הוא קשור לתוצר או ל- GTP.

שני חלבונים רגולטוריים ספציפיים לרן מפעילים את ההמרה בין שני המצבים: 1) חלבון מפעיל ציטוזולי GTPase (GAP), הגורם להידרוליזה של GTP ובכך ממיר את Ran-GTP לרן-תוצר; ו 2) גורם חילופי גוואנין גרעיני (GEF), המקדם את חילופי התוצר עבור GTP וממיר את רן התוצר לרן-ג.פ.

הציטוזול מכיל בעיקר רן-תוצר. הגרעין מכיל בעיקר Ran-GTP. שיפוע זה של שתי צורות הקונפורמציה של רן מכוון את התובלה לכיוון המתאים.

ייבוא ​​הקולטן, המחובר למטען, מקלה על ידי חיבור לחזרות ה- FG. אם זה מגיע לצד הגרעיני של ה- CNP, Ran-GTP מצטרף לכונס הנכסים בשחרור עמדתו. לפיכך, Ran-GTP יוצר את הכיוון של תהליך הייבוא.

הייצוא הגרעיני דומה. עם זאת, רן-GTP בגרעין מקדם את קשירת המטען לייצוא הקולטנים. כאשר קולט הייצוא עובר דרך הנקבובית לתוך הציטוזול, הוא נתקל ב Ran-GAP, מה שמשרה את הידרוליזה של GTP לתמ"ג. בסופו של דבר הקולט משתחרר ממוצבו ומתוך רן-תוצר בציטוזול.

הובלת RNA

ייצוא של כמה סוגים של RNA דומה לייצוא של חלבונים. לדוגמה, tRNA ו- nsRNA (גרעין קטן) משתמשים במעבר ה- RanGTP והם מועברים דרך ה- CPN על ידי carioferin exportin-t ו- Crm, בהתאמה. ייצוא ריבוזומים בוגרים תלוי גם בדרגת ה- RanGTP.

MRNA מיוצא בצורה שונה מאוד מחלבונים ו- RNA אחרים. לייצוא, mRNA יוצר מתחם RNP (mRNP) של מסנג'ר, בו מולקולת mRNA אחת מוקפת במאות מולקולות חלבון. חלבונים אלה אחראים לעיבוד, מכסת, שחבור ופוליא-נידילציה של mRNA.

התא צריך להיות מסוגל להבחין בין mRNA עם mRNA בוגר לבין mRNA עם mRNA לא בשלים. ה- mRNA, המהווה את מתחם ה- RPNm, יכול לאמץ טופולוגיות שצריך לשפץ מחדש לצורך התובלה. לפני שה- mRNP נכנס ל- CPN, מתרחש שליטת בקרה המתבצעת על ידי מתחמי TRAMP וחלבונים אקסוזומים.

כאשר הרכיב ה- RNPm הבוגר מורכב, ה- RPNm מועבר דרך התעלה על ידי קולטן תובלה (Nxf1-Nxt1). קולטן זה מחייב הידרוליזה של ATP (לא שיפוע RanGTP) בכדי לקבוע את כיוון השיפוץ של ה- mRNP, שיגיע לציטופלסמה.

מורכבות הנקבוביות הגרעיניות והשליטה על ביטוי הגנים

כמה מחקרים מצביעים על כך שמרכיבי CPN עלולים להשפיע על ויסות ביטוי הגנים על ידי שליטה במבנה הכרומטין והנגישות שלו לגורמי שעתוק.

באיקריוטות שהתפתחו לאחרונה יותר, ההטרוכרומטין ממוקם עדיף בשולי הגרעין. טריטוריה זו מופרעת על ידי תעלות אוקראומטין, המוחזקות על ידי סל הגרעין של ה- CPN. הקשר בין סלסלות הגרעין לאאודרומטין קשור לתמלול גנים.

לדוגמא, הפעלת התמלול ברמה CPN כוללת אינטראקציה של רכיבים של הסל הגרעיני עם חלבונים כמו היסטון SAGA אצטילטרנספרז וגורמי ייצוא RNA.

לפיכך, הסל הגרעיני מהווה במה למספר גנים ובגנים המועתקים מאוד מהבית שנגרמים חזק כתוצאה משינויים בתנאי הסביבה.

מורכבות הנקבוביות הגרעיניות והוויראולוגיה

זיהום נגיפי בתאים אוקריוטיים תלוי ב- CPN. בכל מקרה של זיהום נגיפי, הצלחתו תלויה ב- DNA, RNA או RPN העוברים ב- CPN כדי להגיע למטרה הסופית שהיא שכפול הנגיף.

נגיף הסימיאן 40 (SV40) היה אחד המודלים הנחקרים ביותר כדי לחקור את תפקיד ה- CPN בתרגום בתוך הגרעין. הסיבה לכך היא של SV40 יש גנום קטן (5,000 בסיסים).

הוכח כי הובלת DNA של נגיף מקלה על ידי חלבוני מעיל וירוס, המגנים על הנגיף עד שהוא מגיע לגרעין.

רכיבים

ה- CPN מוטבע בתוך המעטפה הגרעינית והוא מורכב בין 500 ל 1000 Nups, בערך. חלבונים אלה מאורגנים לתת-קומפלקסים או מודולים מבניים, אשר קשורים זה בזה.

המודול הראשון הוא מרכיב מרכזי, או טבעת, בתוך הנקבובית בצורת שעון החול, שמוגבלת על ידי טבעת נוספת בקוטר 120 ננומטר בשני הפנים, אינטרא-גרעיניים וציטופלסמה. המודול השני הוא טבעות הגרעין והציטופלזמה (בקוטר 120 ננומטר כל אחד) הממוקמים סביב המרכיב בצורת שעון החול.

המודול השלישי הוא שמונה חוטים המתרחבים מהטבעת של 120 ננומטר לתוך הגרעין ויוצרים מבנה בצורת סל. המודול הרביעי מורכב מהחוטים המתקרבים לצד הציטופלזמה.

המתחם בצורת Y, המורכב משישה נופים והחלבונים Seh 1 ו- Sec 13, הוא המתחם הגדול והמאופיין ביותר של CNP. מתחם זה הוא היחידה המהותית המהווה חלק מהפיגומים של CPN.

למרות הדמיון הנמוך בין רצפי ה- Nups, פיגום ה- CPN נשמר מאוד בכל האוקריוטים.

הפניות

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. מתחם הנקבוביות הגרעיניות: הבנת תפקודו באמצעות תובנה מבנית. ביקורות על טבע, ביולוגיה מולקולרית של התא, דוי: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. חלבונים נקבוביים גרעיניים ושליטה בתפקודי הגנום. גנים ופיתוח, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. מתחם הנקבוביות הגרעיניות - מבנה ותפקוד במבט חטוף. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. מתחם הנקבוביות הגרעיניות כשער גמיש ודינאמי. תא, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. מתחם הנקבוביות הגרעיניות הרב-תפקודיות: במה לשליטה על ביטוי הגנים. חוות דעת נוכחית של ביולוגיה של תאים, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. הרפובליקה: מתחם הנקבוביות הגרעיניות - סקירה מקיפה של מבנה ותפקוד. כתב העת הבינלאומי לרפואה אקדמית, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. מתחמי נקבוביות גרעין דינמיות: החיים על הקצה. תא, 125, 1041-1053.