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 por membrana de diversas moléculas.
El complejo de poros nucleares está formado predominantemente por proteínas conocidas como nucleoporinas (Nups). Cada NPC comprende al menos 456 moléculas de proteínas individuales, con 34 proteínas nucleoporinas distintas . [1] Aproximadamente la mitad de las nucleoporinas abarcan dominios de proteínas solenoides, 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 "desplegadas de forma nativa" 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. [2] FG-Nups es uno de los tres tipos principales de nucleoporinas que se encuentran en el NPC. Los otros dos son los Nups transmembrana y los Nups de andamio. Los Nups transmembrana están formados por hélices α transmembrana y desempeñan un papel vital en el anclaje del NPC a la envoltura nuclear . El andamio Nups está formado por pliegues de solenoide α y hélice β , y crea el marco estructural de los NPC. [3]
La función principal de los complejos de poros nucleares es facilitar el transporte selectivo de varias moléculas a través de la membrana nuclear a través de la envoltura nuclear. Esto incluye el transporte de ARN y proteínas ribosómicas desde el núcleo al citoplasma , así como proteínas (como la ADN polimerasa y láminas ), carbohidratos , moléculas de señalización y lípidos que se desplazan 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 difundir pasivamente a través de los poros, las moléculas más grandes a menudo se identifican mediante secuencias señal específicas y las nucleoporinas les facilitan atravesar la envoltura nuclear.
Las características conservadas evolutivamente en secuencias que codifican nucleoporinas regulan el transporte molecular a través del poro nuclear. [4] [5] 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 relacionado con Ras).
El recuento de complejos de poros nucleares varía según los tipos de células y las diferentes etapas del ciclo de vida de la célula, y normalmente se encuentran aproximadamente 1.000 NPC en las células de vertebrados. [6] El complejo de poros nucleares humanos (hNPC) es una estructura sustancial, con un peso molecular de 120 megadaltones (MDa). [7] Cada NPC comprende ocho subunidades de proteínas que rodean el poro real, formando el anillo exterior. Además, estas subunidades proyectan una proteína en forma de radio sobre el canal del poro. La región central del poro puede exhibir una estructura similar a un tapón; sin embargo, se desconoce su naturaleza precisa y aún no se ha determinado si representa un tapón real o simplemente una carga atrapada transitoriamente en tránsito.
El complejo de poros nucleares (NPC) es una estructura celular crucial con un diámetro de aproximadamente 120 nanómetros en los vertebrados. Su canal varía desde 5,2 nanómetros en los humanos [8] hasta 10,7 nm en la rana Xenopus laevis , con una profundidad de aproximadamente 45 nm. [9] Además, el ARNm, al ser monocatenario, tiene un grosor que oscila entre 0,5 y 1 nm. El NPC de los mamíferos tiene una masa molecular de aproximadamente 124 megaltons (MDa), que comprende aproximadamente 30 componentes proteicos distintos, cada uno en múltiples copias. Los NPC de los mamíferos contienen alrededor de 800 nucleoporinas cada uno de los cuales están organizados en distintos subcomplejos de NPC. [10] Por el contrario, la levadura Saccharomyces cerevisiae posee una masa menor, estimada en sólo 66 MDa. [11]
El complejo de poros nucleares (NPC) sirve de 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 la función celular y la homeostasis adecuadas. Las moléculas pequeñas, como las proteínas, el agua y los iones, pueden difundirse a través de los NPC, pero cargas (>40 KDa ), como el ARN y las proteínas, requieren la participación de receptores de transporte solubles. [12]
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 Ran GTP hidrolasa. [13] Esta familia se subdivide en las subfamilias de 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 importarse a través de los NPC al núcleo. La importación puede dirigirse mediante varias señales, de las cuales las señales de localización nuclear (NLS) son las que mejor se caracterizan. [14] Se conocen varias secuencias NLS, que generalmente contienen una secuencia conservada con residuos básicos como PKKKRKV. Cualquier material con un NLS será absorbido por importinas al núcleo.
La importación comienza con la unión de Importin-α a la secuencia NLS de proteínas de carga, formando un complejo. Importin-β luego se une a Importin-α, facilitando el transporte hacia el NPC.
Cuando el complejo llega al NPC, se difunde a través del poro sin necesidad de energía adicional. Al entrar al núcleo, RanGTP se une a Importin-β y lo desplaza del complejo. Entonces, 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. Por tanto, la proteína NLS está 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 lleva a la liberación de Importinβ e Importinα, que quedan disponibles para una nueva ronda de importación de proteínas NLS.
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 núcleocitoplasmático de RanGTP. Este gradiente surge de la localización nuclear exclusiva de RanGEF, proteínas que intercambian GDP por GTP en moléculas de Ran. Por tanto, hay una concentración elevada de RanGTP en el núcleo en comparación con el citoplasma.
Además de la importación nuclear, ciertas moléculas y complejos macromoleculares, como las subunidades de ribosomas y los ARN mensajeros , requieren exportación desde el núcleo al citoplasma. Este proceso de exportación refleja el mecanismo de importación en complejidad e importancia.
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 tal exportación es CRM1. Posteriormente, este complejo se traslada 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 PIB por GTP en Ran, reponiendo la fuente de energía del sistema. Todo este proceso depende de la energía y consume una molécula de GTP. En particular, 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 a ARN, a excepción del ARNt que carece de un adaptador. Es de destacar que todos los ARN virales y celulares ( ARNt , ARNr , ARNsn U , 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).
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 a 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 transcripciones secretoras y mitocondriales. [15]
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, el ciclo de células de mamíferos y levaduras duplica la cantidad de NPC en el núcleo entre las fases 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 el número de NPC debido a una mayor demanda transcripcional. [dieciséis]
Existen varias teorías sobre cómo se ensamblan los NPC. 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 participen en la fusión de la membrana externa de la envoltura nuclear con la interna y no que la La fusión de la membrana inicia la formación del poro. Hay varias formas en que esto podría conducir a la formación del NPC completo.
Durante la mitosis, el NPC parece desensamblarse en etapas, excepto en eucariotas inferiores como la levadura, donde el desmontaje del NPC no ocurre durante la mitosis. [19] Las nucleoporinas periféricas como Nup 153, Nup 98 y Nup 214 se disocian del NPC. El resto, que puede considerarse una proteína de andamio, permanece estable, como complejos de anillos cilíndricos dentro de la envoltura nuclear. Se cree que este desmontaje de los grupos periféricos de NPC se debe en gran medida al fosfato, ya que varias de estas nucleoporinas se fosforilan durante las etapas de la mitosis. Sin embargo, la enzima implicada en la fosforilación se desconoce in vivo. En los metazoos (que sufren mitosis abierta), la NE se degrada rápidamente después de la pérdida de los Nups periféricos. 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 del NE, como la tubulina citoplasmática, además de permitir la entrada de proteínas reguladoras mitóticas clave. En organismos que se someten a una mitosis semiabierta, como el hongo filamentoso Aspergillus nidulans , 14 de las 30 nucleoporinas se desmontan de la estructura central, impulsado por la activación de las quinasas NIMA y Cdk1 que fosforilan las nucleoporinas y abren los poros nucleares [20]. [21] ampliando así el poro nuclear y permitiendo la entrada de reguladores mitóticos. [22]
En los hongos que experimentan mitosis cerrada , donde el núcleo permanece intacto, los cambios en la barrera de permeabilidad de la envoltura nuclear (NE) se atribuyen a alteraciones dentro del NPC. Estos cambios facilitan la entrada de reguladores mitóticos al núcleo. Los estudios en Aspergillys nidulans sugieren que la composición de NPC parece verse afectada por la mitotiv quinasa NIMA. NIMA potencialmente fosforila las nucleoporinas Nup98 y Gle2/Rae1, lo que lleva a la remodelación de NPC. [23] Esta remodelación permite la entrada nuclear del complejo proteico cdc2/ciclinaB y varias otras proteínas, incluida la tubulina soluble. El andamio NPC permanece intacto durante toda la mitosis cerrada. Esto parece preservar la integridad de NE.
