Una señal o secuencia de localización nuclear ( NLS ) es una secuencia de aminoácidos que "marca" una proteína para su importación al núcleo celular mediante transporte nuclear . [1] Normalmente, esta señal consta de una o más secuencias cortas de lisinas o argininas cargadas positivamente expuestas en la superficie de la proteína. [1] Diferentes proteínas localizadas en el núcleo pueden compartir la misma NLS. [1] Una NLS tiene la función opuesta a una señal de exportación nuclear (NES), que dirige las proteínas fuera del núcleo.
Estos tipos de NLS se pueden clasificar además como monopartitas o bipartitas. Las principales diferencias estructurales entre las dos son que los dos grupos de aminoácidos básicos en las NLS bipartitas están separados por una secuencia espaciadora relativamente corta (de ahí que sean bipartitas: 2 partes), mientras que las NLS monopartitas no lo están. La primera NLS que se descubrió fue la secuencia PKKKRKV en el antígeno T grande de SV40 (una NLS monopartita). [2] La NLS de la nucleoplasmina , KR[PAATKKAGQA]KKKK, es el prototipo de la ubicua señal bipartita: dos grupos de aminoácidos básicos, separados por un espaciador de unos 10 aminoácidos. [3] Ambas señales son reconocidas por la importina α . La importina α contiene una NLS bipartita en sí misma, que es reconocida específicamente por la importina β . Esta última puede considerarse el mediador de importación real.
Chelsky et al . propusieron la secuencia de consenso KK/RXK/R para las NLS monopartitas. [3] Por lo tanto, una secuencia de Chelsky puede ser parte del grupo básico descendente de una NLS bipartita. Makkah et al . llevaron a cabo una mutagénesis comparativa en las señales de localización nuclear del antígeno T de SV40 (monopartita), C-myc (monopartita) y nucleoplasmina (bipartita), y mostraron características de aminoácidos comunes a las tres. Por primera vez se demostró el papel de los aminoácidos neutros y ácidos en la contribución a la eficiencia de la NLS. [4]
Rotello et al . compararon las eficiencias de localización nuclear de las NLS fusionadas con eGFP del antígeno T grande de SV40, la nucleoplasmina (AVKRPAATKKAGQAKKKKLD), EGL-13 (MSRRRKANPTKLSENAKKLAKEVEN), c-Myc (PAAKRVKLD) y la proteína TUS (KLKIKRPVK) a través de la administración intracelular rápida de proteínas. Encontraron una eficiencia de localización nuclear significativamente mayor de las NLS de c-Myc en comparación con la de las NLS de SV40. [5]
Existen muchos otros tipos de NLS, como el dominio ácido M9 de hnRNP A1, la secuencia KIPIK en el represor de transcripción de levadura Matα2 y las señales complejas de U snRNP. La mayoría de estas NLS parecen ser reconocidas directamente por receptores específicos de la familia de la importina β sin la intervención de una proteína similar a la importina α. [6]
Una señal que parece ser específica para las proteínas ribosómicas producidas y transportadas masivamente, [7] [8] parece venir con un conjunto especializado de receptores de importación nuclear similares a la importina β. [9]
Recientemente, Lee et al. propusieron una clase de NLS conocida como PY-NLS . [10] Este motivo PY-NLS, llamado así debido al apareamiento de aminoácidos prolina - tirosina que contiene, permite que la proteína se una a la Importina β2 (también conocida como transportina o carioferina β2), que luego transloca la proteína de carga al núcleo. Se determinó la base estructural para la unión de la PY-NLS contenida en la Importina β2 y se diseñó un inhibidor de la importación. [11]
La presencia de la membrana nuclear que secuestra el ADN celular es la característica definitoria de las células eucariotas . La membrana nuclear, por tanto, separa los procesos nucleares de replicación del ADN y transcripción del ARN del proceso citoplasmático de producción de proteínas. Las proteínas necesarias en el núcleo deben dirigirse allí mediante algún mecanismo. El primer examen experimental directo de la capacidad de las proteínas nucleares para acumularse en el núcleo lo llevó a cabo John Gurdon cuando demostró que las proteínas nucleares purificadas se acumulaban en el núcleo de los ovocitos de rana ( Xenopus ) después de ser microinyectadas en el citoplasma. Estos experimentos formaron parte de una serie que posteriormente condujo a estudios de reprogramación nuclear, directamente relacionados con la investigación con células madre.
La presencia de varios millones de complejos de poros en la membrana nuclear del ovocito y el hecho de que parecieran admitir muchas moléculas diferentes (insulina, albúmina sérica bovina, nanopartículas de oro ) condujo a la idea de que los poros son canales abiertos y las proteínas nucleares entran libremente en el núcleo a través del poro y deben acumularse uniéndose al ADN o algún otro componente nuclear. En otras palabras, no se pensaba que existiera un mecanismo de transporte específico.
En 1982, Dingwall y Laskey demostraron que esta visión era incorrecta. Utilizando una proteína llamada nucleoplasmina, la " chaperona molecular " arquetípica, identificaron un dominio en la proteína que actúa como señal para la entrada nuclear. [12] Este trabajo estimuló la investigación en el área y dos años después se identificó el primer NLS en el antígeno T grande de SV40 (o SV40, para abreviar). Sin embargo, no se pudo identificar un NLS funcional en otra proteína nuclear simplemente sobre la base de la similitud con el NLS de SV40. De hecho, solo un pequeño porcentaje de proteínas nucleares celulares (no virales) contenían una secuencia similar al NLS de SV40. Un examen detallado de la nucleoplasmina identificó una secuencia con dos elementos compuestos de aminoácidos básicos separados por un brazo espaciador. Uno de estos elementos era similar al NLS de SV40 pero no podía dirigir una proteína al núcleo celular cuando se unía a una proteína reportera no nuclear. Ambos elementos son necesarios. [13] Este tipo de NLS se ha conocido como NLS clásica bipartita. Ahora se sabe que la NLS bipartita representa la clase principal de NLS que se encuentra en las proteínas nucleares celulares [14] y el análisis estructural ha revelado cómo la señal es reconocida por una proteína receptora ( importina α ) [15] (también se conoce la base estructural de algunas NLS monopartitas [16] ). Ahora se conocen muchos de los detalles moleculares de la importación de proteínas nucleares. Esto fue posible gracias a la demostración de que la importación de proteínas nucleares es un proceso de dos pasos; la proteína nuclear se une al complejo de poro nuclear en un proceso que no requiere energía. A esto le sigue una translocación dependiente de energía de la proteína nuclear a través del canal del complejo de poro. [17] [18] Al establecer la presencia de dos pasos distintos en el proceso, se estableció la posibilidad de identificar los factores involucrados y condujo a la identificación de la familia de receptores NLS de importina y la GTPasa Ran .
Las proteínas entran al núcleo a través de la envoltura nuclear, que consta de membranas concéntricas: la membrana externa y la membrana interna. Las membranas interna y externa se conectan en múltiples sitios y forman canales entre el citoplasma y el nucleoplasma. Estos canales están ocupados por complejos de poros nucleares (NPC), estructuras multiproteicas complejas que median el transporte a través de la membrana nuclear.
Una proteína traducida con un NLS se unirá fuertemente a la importina (también conocida como carioferina ) y, juntos, el complejo se moverá a través del poro nuclear. En este punto, Ran-GTP se unirá al complejo importina-proteína y su unión hará que la importina pierda afinidad por la proteína. La proteína se libera y ahora el complejo Ran-GTP/importina volverá a salir del núcleo a través del poro nuclear. Una proteína activadora de GTPasa (GAP) en el citoplasma hidroliza el Ran-GTP a GDP y esto provoca un cambio conformacional en Ran, que en última instancia reduce su afinidad por la importina. La importina se libera y Ran-GDP se recicla de nuevo al núcleo, donde un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) intercambia su GDP por GTP.