Un poro nuclear es un canal que forma parte del complejo de poro nuclear ( NPC ), un gran complejo proteico que se encuentra en la envoltura nuclear de las células eucariotas . La envoltura nuclear (NE) rodea el núcleo celular que contiene ADN y facilita el transporte selectivo a través de la membrana de varias moléculas.
El complejo de poro nuclear se compone predominantemente de proteínas conocidas como nucleoporinas (Nups). Cada NPC humano comprende al menos 456 moléculas de proteína individuales, con 34 proteínas nucleoporinas distintas, [1] en 2022 se conocía el 90% de la estructura, [2] luego en 2024 se decodificó la cesta nuclear. [3] Aproximadamente la mitad de las nucleoporinas abarcan dominios de proteína solenoide, como solenoides alfa o pliegues de hélice beta , y ocasionalmente ambos como dominios estructurales separados . Por el contrario, las nucleoporinas restantes exhiben características de proteínas "nativamente desplegadas" o intrínsecamente desordenadas , caracterizadas por una alta flexibilidad y una falta de estructura terciaria ordenada . Estas proteínas desordenadas, denominadas nucleoporinas FG (FG-Nups), contienen múltiples repeticiones de fenilalanina - glicina (repeticiones FG) en sus secuencias de aminoácidos. [4] Las FG-Nups son uno de los tres tipos principales de nucleoporinas que se encuentran en las células madre neurales. Las otras dos son las Nups transmembrana y las Nups de andamiaje. Las Nups transmembrana están formadas por hélices α transmembrana y desempeñan un papel vital en el anclaje de las células madre neurales a la envoltura nuclear . Las Nups de andamiaje están formadas por pliegues de solenoide α y hélice β , y crean el marco estructural de las células madre neurales. [5]
La función principal de los complejos de poros nucleares es facilitar el transporte selectivo de diversas moléculas a través de la membrana nuclear. Esto incluye el transporte de ARN y proteínas ribosómicas desde el núcleo hasta el citoplasma , así como proteínas (como la ADN polimerasa y las láminas ), carbohidratos , moléculas de señalización y lípidos que se mueven hacia el núcleo. En particular, el complejo de poros nucleares (NPC) puede mediar activamente hasta 1000 translocaciones por complejo por segundo. Mientras que las moléculas más pequeñas pueden difundirse pasivamente a través de los poros, las moléculas más grandes a menudo se identifican por secuencias de señales específicas y las nucleoporinas facilitan su paso por la envoltura nuclear.
Las características conservadas evolutivamente en secuencias que codifican nucleoporinas regulan el transporte molecular a través del poro nuclear. [6] [7] El transporte mediado por nucleoporinas no implica un gasto energético directo, sino que depende de gradientes de concentración asociados con el ciclo RAN (ciclo de la proteína nuclear relacionada con Ras).
El número de complejos de poros nucleares varía según los tipos de células y las diferentes etapas del ciclo de vida de la célula; en las células de vertebrados se encuentran aproximadamente 1000 NPC. [8] El complejo de poro nuclear humano (hNPC) es una estructura sustancial, con un peso molecular de 120 megadaltons (MDa). [9] Cada NPC comprende ocho subunidades proteicas que rodean el poro real y forman el anillo exterior. Además, estas subunidades proyectan una proteína con forma de radio sobre el canal del poro. La región central del poro puede presentar una estructura similar a un tapón; sin embargo, su naturaleza precisa sigue siendo desconocida y aún no se ha determinado si representa un tapón real o simplemente una carga atrapada transitoriamente en tránsito.
El complejo de poro nuclear (NPC) es una estructura celular crucial con un diámetro de aproximadamente 120 nanómetros en vertebrados. Su canal varía de 5,2 nanómetros en humanos [10] a 10,7 nm en la rana Xenopus laevis , con una profundidad de aproximadamente 45 nm. [11] Además, el ARNm, al ser monocatenario, tiene un grosor que varía de 0,5 a 1 nm. El NPC de los mamíferos tiene una masa molecular de aproximadamente 124 megadaltons (MDa), que comprende aproximadamente 30 componentes proteicos distintos, cada uno en múltiples copias. Los NPC de los mamíferos contienen aproximadamente 800 nucleoporinas cada uno que están organizadas en subcomplejos de NPC distintos. [12] Por el contrario, la levadura Saccharomyces cerevisiae posee una masa menor, estimada en solo 66 MDa. [13]
El complejo de poros nucleares (NPC) sirve como puerta de entrada altamente regulada para el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Este intrincado sistema permite el paso selectivo de moléculas que incluyen proteínas, ARN y moléculas de señalización, lo que garantiza el funcionamiento y la homeostasis celular adecuados. Las moléculas pequeñas, como las proteínas, el agua y los iones, pueden difundirse a través de los NPC, pero las cargas (>40 KDa ) como el ARN y las proteínas requieren la participación de receptores de transporte solubles. [14]
La familia más grande de receptores de transporte nuclear son las carioferinas, también conocidas como importinas o exportinas . Se trata de una superfamilia de receptores de transporte nuclear que facilitan la translocación de proteínas, ARN y partículas ribonucleares a través del NPC en un proceso dependiente de la Ran GTP hidrolasa. [15] Esta familia se subdivide a su vez 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:
Las proteínas nucleares se sintetizan en el citoplasma y deben ser importadas a través de las células madre neuronales hasta el núcleo. La importación puede ser dirigida por varias señales, de las cuales las señales de localización nuclear (NLS) son las mejor caracterizadas. [16] Se conocen varias secuencias de NLS, que generalmente contienen una secuencia conservada con residuos básicos como PKKKRKV. Cualquier material con una NLS será absorbido por las importinas hacia el núcleo. [ cita requerida ]
La importación comienza con la unión de la Importina-α a la secuencia NLS de las proteínas de carga, formando un complejo. Luego, la Importina-β se une a la Importina-α, lo que facilita el transporte hacia el NPC. [ cita requerida ]
A medida que el complejo llega al núcleo neuronal, se difunde a través del poro sin necesidad de energía adicional. Al entrar en el núcleo, RanGTP se une a la Importina-β y la 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 queda así libre en el nucleoplasma. El complejo Importinaβ-RanGTP e Importinaα-CAS-RanGTP se difunde de nuevo al citoplasma, donde los GTP se hidrolizan a GDP, lo que conduce a la liberación de Importinaβ e Importinaα, que quedan disponibles para una nueva ronda de importación de la proteína NLS. [ cita requerida ]
Si bien la translocación a través del NPC no depende de la energía, el ciclo de importación general necesita la hidrólisis de dos moléculas de GTP, lo que lo convierte en un proceso de transporte activo. El ciclo de importación está impulsado por el gradiente de RanGTP núcleo-citoplasmático. Este gradiente surge de la localización nuclear exclusiva de RanGEF, proteínas que intercambian GDP a GTP en moléculas de Ran. Por lo tanto, hay una concentración elevada de RanGTP en el núcleo en comparación con el citoplasma. [ cita requerida ]
Además de la importación nuclear, ciertas moléculas y complejos macromoleculares, como las subunidades de los ribosomas y los ARN mensajeros , requieren ser exportados desde el núcleo hasta el citoplasma. Este proceso de exportación refleja el mecanismo de importación en complejidad e importancia. [ cita requerida ]
En un escenario de exportación clásico, las proteínas con una secuencia de exportación nuclear (NES) forman un complejo heterotrimérico con una exportina y RanGTP dentro del núcleo. Un ejemplo de una exportina de este tipo es CRM1. Este complejo se transloca posteriormente al citoplasma , donde se produce la hidrólisis de GTP, liberando la proteína que contiene NES. El complejo CRM1-RanGDP resultante regresa al núcleo, donde los RanGEF catalizan el intercambio de GDP por GTP en Ran, reponiendo la fuente de energía del sistema. Todo este proceso depende de la energía y consume una molécula de GTP. Cabe destacar que la actividad de exportación mediada por CRM1 puede ser inhibida por compuestos como la leptomicina B.
Diferentes vías de exportación a través del NPC para varias clases de ARN. La exportación de ARN está mediada por señales, con señales de exportación nuclear (NES) presentes en las proteínas de unión al ARN, excepto para el ARNt que carece de un adaptador. Es notable que todos los ARN virales y celulares ( ARNt , ARNr , U snRNA , microARN ) excepto el ARNm 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). [ cita requerida ]
En los eucariotas superiores, se cree que la exportación de ARNm depende del empalme. El empalme recluta el complejo proteico TREX para los mensajes empalmados, lo que sirve como adaptador para TAP, una proteína de unión al ARN de baja afinidad. Sin embargo, existen vías alternativas de exportación de ARNm que no dependen del empalme para mensajes especializados como las histonas. Trabajos recientes también sugieren una interacción entre la exportación dependiente del empalme y una de estas vías alternativas de exportación de ARNm para las transcripciones secretoras y mitocondriales. [17]
Dado que el NPC regula el acceso al genoma, su presencia en cantidades significativas durante las etapas del ciclo celular caracterizadas por altas tasas de transcripción es crucial. Por ejemplo, las células de mamíferos y levaduras en ciclo duplican la cantidad de NPC en el núcleo entre la fase G1 y G2. De manera similar, los ovocitos acumulan abundantes NPC en anticipación de la rápida actividad mitótica durante el desarrollo temprano. Además, las células en interfase deben mantener la generación de NPC para mantener niveles constantes de NPC, ya que algunas pueden sufrir daños. Además, ciertas células pueden incluso aumentar la cantidad de NPC debido al aumento de la demanda transcripcional. [18]
Existen varias teorías sobre cómo se ensamblan las células madre neuronales. Como 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 estén involucrados en la fusión de la membrana externa de la envoltura nuclear con la interna y no que la fusión de la membrana inicie la formación del poro. [ cita requerida ] Hay varias formas en que esto podría conducir a la formación de la célula madre neuronal completa.
Durante la mitosis, el NPC parece desensamblarse en etapas, excepto en eucariotas inferiores como la levadura, donde el desensamblaje del NPC no ocurre durante la mitosis. [21] Las nucleoporinas periféricas como Nup 153, Nup 98 y Nup 214 se disocian del NPC. El resto, que puede considerarse proteínas de andamiaje, permanece estable, como complejos de anillos cilíndricos dentro de la envoltura nuclear. Se cree que este desensamblaje de los grupos periféricos del 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 experimentan mitosis abierta), la NE se degrada rápidamente después de la pérdida de las Nups periféricas. La razón de esto puede deberse al cambio en la arquitectura del NPC. Este cambio puede hacer que el 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 filamentoso Aspergillus nidulans , 14 de las 30 nucleoporinas se desmontan de la estructura del andamiaje central, impulsadas por la activación de las quinasas NIMA y Cdk1 que fosforilan las nucleoporinas y abren los poros nucleares [22] [23] ensanchando así el poro nuclear y permitiendo la entrada de reguladores mitóticos. [24]
En los hongos que experimentan mitosis cerrada , donde el núcleo permanece intacto, los cambios en la barrera de permeabilidad de la envoltura nuclear (EN) se atribuyen a alteraciones dentro del NPC. Estos cambios facilitan la entrada de reguladores mitóticos en el núcleo. Los estudios en Aspergillys nidulans sugieren que la composición del NPC parece verse afectada por la quinasa mitoactiva NIMA. La NIMA potencialmente fosforila las nucleoporinas Nup98 y Gle2/Rae1, lo que conduce a la remodelación del NPC. [25] Esta remodelación permite la entrada nuclear del complejo proteico cdc2/ciclinaB y varias otras proteínas, incluida la tubulina soluble. El andamiaje del NPC permanece intacto durante toda la mitosis cerrada. Esto parece preservar la integridad de la EN. [ cita requerida ]
