Poros nucleares

Un poro nuclear es parte de un gran complejo de proteínas, conocido como complejo de poro nuclear que se extiende por la envoltura nuclear, que es la doble membrana que rodea el núcleo de la célula eucariota. Hay aproximadamente 1000 complejos de poros nucleares (NPC) en la envoltura nuclear de una célula de vertebrado, pero este número varía según el tipo de célula y la etapa del ciclo de vida. El complejo de poros nucleares humanos (hNPC) es una estructura de 110 megadalton (MDa). Las proteínas que forman el complejo del poro nuclear se conocen como nucleoporinas; cada NPC contiene al menos 456 moléculas de proteína individuales y está compuesto por 34 proteínas de nucleoporina distintas.Aproximadamente la mitad de las nucleoporinas suelen contener dominios de proteína solenoide, ya sea un solenoide alfa o un pliegue de hélice beta o, en algunos casos, ambos como dominios estructurales separados. La otra mitad muestra características estructurales típicas de proteínas "desplegadas de forma nativa" o intrínsecamente desordenadas, es decir, son proteínas muy flexibles que carecen de una estructura terciaria ordenada. Estas proteínas desordenadas son las nucleoporinas FG, llamadas así porque su secuencia de aminoácidos contiene muchas repeticiones de fenilalanina-glicina.

Los complejos de poros nucleares permiten el transporte de moléculas a través de la envoltura nuclear. Este transporte incluye ARN y proteínas ribosómicas que se mueven desde el núcleo al citoplasma y proteínas (como la ADN polimerasa y laminas), carbohidratos, moléculas de señalización y lípidos que se mueven hacia el núcleo. Es notable que el complejo del poro nuclear(NPC) puede realizar activamente 1000 translocaciones por complejo por segundo. Aunque las moléculas más pequeñas simplemente se difunden a través de los poros, las moléculas más grandes pueden ser reconocidas por secuencias de señales específicas y luego difundirse con la ayuda de nucleoporinas dentro o fuera del núcleo. Recientemente se ha demostrado que estas nucleoporinas tienen características conservadas evolutivamente específicas codificadas en sus secuencias que brindan información sobre cómo regulan el transporte de moléculas a través del poro nuclear.El transporte mediado por nucleoporinas no requiere directamente energía, sino que depende de los gradientes de concentración asociados con el ciclo RAN. Cada una de las ocho subunidades de proteína que rodean el poro real (el anillo exterior) proyecta una proteína en forma de radio sobre el canal del poro. El centro del poro a menudo parece contener una estructura similar a un tapón. Todavía se desconoce si esto corresponde a un enchufe real o es simplemente una carga capturada en tránsito.

Tamaño y complejidad

Todo el complejo de poros nucleares tiene un diámetro de unos 120 nanómetros en los vertebrados. El diámetro del canal varía de 5,2 nanómetros en humanos a 10,7 nm en la rana Xenopus laevis, con una profundidad de aproximadamente 45 nm. El ARNm, que es monocatenario, tiene un grosor de aproximadamente 0,5 a 1 nm. La masa molecular del NPC de mamífero es de aproximadamente 124 megadaltons (MDa) y contiene aproximadamente 30 componentes proteicos diferentes, cada uno en múltiples copias. En contraste, la levadura Saccharomyces cerevisiae es más pequeña, con una masa de solo 66 MDa.

Transporte a través del complejo de poros nucleares

Las partículas pequeñas (hasta 30–60 kDa) pueden atravesar el complejo del poro nuclear por difusión pasiva. Las partículas más grandes también pueden difundirse pasivamente a través del gran diámetro del poro, a velocidades que disminuyen gradualmente con el peso molecular. El paso eficiente a través del complejo requiere varios factores proteicos y, en particular, receptores de transporte nuclear que se unen a las moléculas de carga y median su translocación a través del NPC, ya sea hacia el núcleo (importinas) o fuera de él (exportinas). La familia más grande de receptores de transporte nuclear son las carioferinas, que incluye docenas de importinas y exportinas; esta familia se subdivide en las subfamilias carioferina-α y carioferina-β. Otros receptores de transporte nuclear incluyen NTF2 y algunas proteínas similares a NTF2.

Se han sugerido tres modelos para explicar el mecanismo de translocación:

• Gradientes de afinidad a lo largo del tapón central
• Puerta de afinidad browniana
• Fase selectiva

Importación de proteínas

Cualquier carga con una señal de localización nuclear (NLS) expuesta será destinada para un transporte rápido y eficiente a través del poro. Se conocen varias secuencias de NLS, que generalmente contienen una secuencia conservada con residuos básicos como PKKKRKV. Cualquier material con un NLS será absorbido por importinas al núcleo.

El esquema clásico de importación de proteína NLS comienza con la unión de la Importina-α a la secuencia NLS, que luego actúa como un puente para que se una la Importina-β. El complejo de carga importinβ-importinα se dirige luego hacia el poro nuclear y se difunde a través de él. Una vez que el complejo está en el núcleo, RanGTP se une a Importin-β y lo desplaza del complejo. Luego, la proteína de susceptibilidad a la apoptosis celular (CAS), una exportina que en el núcleo está unida a RanGTP, desplaza a la Importina-α de la carga. La proteína NLS está así libre en el nucleoplasma. El complejo Importinβ-RanGTP e Importinα-CAS-RanGTP se difunde de regreso al citoplasma donde los GTP se hidrolizan a GDP, lo que conduce a la liberación de Importinβ e Importinα, que quedan disponibles para una nueva ronda de importación de proteína NLS.

Aunque la carga pasa a través del poro con la ayuda de proteínas chaperonas, la translocación a través del poro en sí no depende de la energía. Sin embargo, todo el ciclo de importación necesita la hidrólisis de 2 GTP y, por lo tanto, depende de la energía y debe considerarse como transporte activo. El ciclo de importación está impulsado por el gradiente nucleocitoplasmático de RanGTP. Este gradiente surge de la localización nuclear exclusiva de RanGEF, proteínas que intercambian GDP a GTP en moléculas Ran. Por lo tanto, hay una concentración elevada de RanGTP en el núcleo en comparación con el citoplasma.

Exportación de proteínas

Algunas moléculas o complejos macromoleculares necesitan ser exportados desde el núcleo al citoplasma, al igual que las subunidades de ribosomas y los ARN mensajeros. Por lo tanto, existe un mecanismo de exportación similar al mecanismo de importación.

En el esquema de exportación clásico, las proteínas con una secuencia de exportación nuclear (NES) pueden unirse en el núcleo para formar un complejo heterotrimérico con una exportina y RanGTP (por ejemplo, la exportina CRM1). El complejo puede luego difundirse al citoplasma donde se hidroliza GTP y se libera la proteína NES. CRM1-RanGDP se difunde de regreso al núcleo donde RanGEF intercambia PIB a GTP. Este proceso también depende de la energía ya que consume un GTP. La leptomicina B puede inhibir la exportación con la exportina CRM1.

Exportación de ARN

Existen diferentes vías de exportación a través del NPC para cada clase de ARN que existe. La exportación de ARN también está mediada por señales (NES); el NES está en las proteínas de unión al ARN (excepto el ARNt que no tiene adaptador). Es notable que todos los ARN virales y ARN celulares (tRNA, rRNA, U snRNA, microRNA) excepto el mRNA dependen de RanGTP. Los factores de exportación de ARNm conservados son necesarios para la exportación nuclear de ARNm. Los factores de exportación son Mex67/Tap (subunidad grande) y Mtr2/p15 (subunidad pequeña). En los eucariotas superiores, se cree que la exportación de ARNm depende del empalme que, a su vez, recluta un complejo proteico, TREX, para los mensajes empalmados. TREX funciona como un adaptador para TAP, que es una proteína de unión al ARN muy pobre. Sin embargo, existen vías de exportación de ARNm alternativas que no dependen del empalme para mensajes especializados como las histonas.

Asamblea de la APN

Como el NPC controla el acceso al genoma, es esencial que exista en grandes cantidades en las etapas del ciclo celular donde se necesita mucha transcripción. Por ejemplo, el ciclo de células de mamíferos y levaduras duplica la cantidad de NPC en el núcleo entre las fases G1 y G2 del ciclo celular, y los ovocitos acumulan una gran cantidad de NPC para prepararse para la rápida mitosis que existe en las primeras etapas de desarrollo. Las celdas de interfase también deben mantener un nivel de generación de NPC para mantener constantes los niveles de NPC en la celda, ya que algunas pueden dañarse. Algunas células incluso pueden aumentar los números de NPC debido a una mayor demanda transcripcional.

Teorías del montaje

Hay varias teorías sobre cómo se ensamblan los NPC. Dado que la inmunodepleción de ciertos complejos proteicos, como el complejo Nup 107-160, conduce a la formación de núcleos sin poros, parece probable que los complejos Nup participen en la fusión de la membrana externa de la envoltura nuclear con la interna y no que la la fusión de la membrana comienza la formación del poro. Hay varias formas en que esto podría conducir a la formación de un NPC completo.

• Una posibilidad es que, como complejo proteico, se una a la cromatina. Luego se inserta en la doble membrana cerca de la cromatina. Esto, a su vez, conduce a la fusión de esa membrana. Alrededor de este complejo proteico, otros finalmente se unen formando el NPC. Este método es posible durante cada fase de la mitosis ya que la doble membrana está presente alrededor de la cromatina antes de que se pueda insertar el complejo de proteínas de fusión de membrana. Las células postmitóticas podrían formar una membrana primero con poros que se insertan después de la formación.
• Otro modelo para la formación de NPC es la producción de un preporo como inicio en lugar de un solo complejo proteico. Este preporo se formaría cuando varios complejos Nup se unieran y se unieran a la cromatina. Esto tendría la forma de doble membrana a su alrededor durante el reensamblaje mitótico. Se han observado posibles estructuras de preporos en la cromatina antes de la formación de la envoltura nuclear (NE) mediante microscopía electrónica.Durante la interfase del ciclo celular, la formación del preporo ocurriría dentro del núcleo, y cada componente se transportaría a través de los NPC existentes. Estos Nups se unirían a una importina, una vez formada, impidiendo el ensamblaje de un preporo en el citoplasma. Una vez transportado al núcleo, Ran GTP se uniría a la importación y haría que liberara la carga. Este Nup estaría libre para formar un preporo. Al menos se ha demostrado que la unión de importinas lleva las nucleoporinas Nup 107 y Nup 153 al núcleo. El ensamblaje de NPC es un proceso muy rápido, pero se producen estados intermedios definidos, lo que lleva a la idea de que este ensamblaje se produce de forma escalonada.

Desmontaje

Durante la mitosis, el NPC parece desarmarse en etapas. Las nucleoporinas periféricas como Nup 153, Nup 98 y Nup 214 se disocian del NPC. El resto, que puede considerarse un andamio, las proteínas permanecen estables, como complejos de anillos cilíndricos dentro de la envoltura nuclear. Se cree que este desmontaje de los grupos periféricos de NPC está impulsado en gran medida por el fosfato, ya que varias de estas nucleoporinas se fosforilan durante las etapas de la mitosis. Sin embargo, la enzima involucrada en la fosforilación es desconocida in vivo. En los metazoos (que sufren mitosis abierta) la NE se degrada rápidamente tras la pérdida de las Nups periféricas. La razón de esto puede deberse al cambio en la arquitectura del NPC. Este cambio puede hacer que la NPC sea más permeable a las enzimas involucradas en la degradación de la NE, como la tubulina citoplasmática, además de permitir la entrada de proteínas reguladoras mitóticas clave. En organismos que experimentan una mitosis semiabierta como el hongo filamentosoAspergillus nidulans, 14 de las 30 nucleoporinas se desmontan de la estructura del andamio central, impulsadas por la activación de las quinasas NIMA y Cdk1 que fosforilan las nucleoporinas y abren los poros nucleares, lo que amplía el poro nuclear y permite la entrada de los reguladores mitóticos.

Preservación de la integridad

Se demostró, en hongos que pasan por mitosis cerrada (donde el núcleo no se desarma), que el cambio de la barrera de permeabilidad de la NE se debió a cambios dentro de la NPC y es lo que permite la entrada de reguladores mitóticos. En Aspergillus nidulans, la composición de NPC parece verse afectada por la quinasa mitótica NIMA, posiblemente mediante la fosforilación de las nucleoporinas Nup98 y Gle2/Rae1. Esta remodelación parece permitir que el complejo proteico cdc2/ciclina B entre en el núcleo, así como muchas otras proteínas, como la tubulina soluble. El andamio NPC permanece intacto durante toda la mitosis cerrada. Esto parece preservar la integridad del NE.