Una señal o secuencia de localización nuclear ( NLS ) es una secuencia de aminoácidos que "marca" una proteína para importarla 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 el mismo NLS. [1] Una NLS tiene la función opuesta a una señal de exportación nuclear (NES), que apunta a proteínas fuera del núcleo.
Estos tipos de NLS se pueden clasificar además como monopartitos o bipartitos. Las principales diferencias estructurales entre los dos son que los dos grupos de aminoácidos básicos en las NLS bipartitas están separados por una secuencia espaciadora relativamente corta (por lo tanto, bipartitas, 2 partes), mientras que las NLS monopartitas no lo están. El primer NLS descubierto fue la secuencia PKKKRKV en el antígeno T grande SV40 (un NLS monopartito). [2] El NLS de la nucleoplasmina , KR[PAATKKAGQA]KKKK, es el prototipo de la señal bipartita ubicua: dos grupos de aminoácidos básicos, separados por un espaciador de aproximadamente 10 aminoácidos. [3] Ambas señales son reconocidas por la importina α . Importin α contiene un NLS bipartito, que es reconocido específicamente por importin β . Este último puede considerarse el verdadero mediador de importaciones.
Chelsky y col . propusieron la secuencia consenso KK/RXK/R para NLS monopartitas. [3] Por lo tanto, una secuencia de Chelsky puede ser parte del grupo básico posterior de un NLS bipartito. La Meca y otros . llevaron a cabo una mutagénesis comparativa en las señales de localización nuclear del antígeno T SV40 (monopartito), C-myc (monopartito) y nucleoplasmina (bipartito), y mostraron características de aminoácidos comunes a los tres. Se demostró por primera vez el papel de los aminoácidos neutros y ácidos para contribuir a la eficacia del NLS. [4]
Rotello et al . compararon las eficiencias de localización nuclear de NLS fusionadas con eGFP de antígeno T grande SV40, nucleoplasmina (AVKRPAATKKAGQAKKKKLD), EGL-13 (MSRRRKANPTKLSENAKKLAKEVEN), c-Myc (PAAKRVKLD) y proteína TUS (KLKIKRPVK) a través de una rápida administración de proteínas intracelulares. Encontraron una eficiencia de localización nuclear significativamente mayor de c-Myc NLS en comparación con la de SV40 NLS. [5]
Hay muchos otros tipos de NLS, como el dominio ácido M9 de hnRNP A1, la secuencia KIPIK en el represor de la transcripción de levadura Matα2 y las señales complejas de U snRNP. La mayoría de estos NLS parecen ser reconocidos directamente por receptores específicos de la familia 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 nucleares similares a la importina β. [9]
Recientemente se propuso una clase de NLS conocida como PY-NLS, originalmente por Lee et al. [10] Este motivo PY-NLS, llamado así debido al emparejamiento de aminoácidos prolina - tirosina , 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 ha determinado la base estructural para la unión del PY-NLS contenido en Importin β2 y se ha diseñado 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 . Por tanto, la membrana nuclear 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 ser dirigidas 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 acumulan 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 relevantes para 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 parecían admitir muchas moléculas diferentes (insulina, albúmina sérica bovina, nanopartículas de oro ) llevó a la opinión de que los poros son canales abiertos y las proteínas nucleares entran libremente en el núcleo. a través del poro y debe acumularse uniéndose al ADN o algún otro componente nuclear. En otras palabras, no se pensaba que existiera ningún mecanismo de transporte específico.
Dingwall y Laskey demostraron que esta opinión era incorrecta en 1982. Utilizando una proteína llamada nucleoplasmina, la " chaperona molecular " arquetípica, identificaron un dominio en la proteína que actúa como señal de entrada nuclear. [12] Este trabajo estimuló la investigación en el área y dos años más tarde se identificó el primer NLS en el antígeno T grande SV40 (o SV40, para abreviar). Sin embargo, no se pudo identificar una NLS funcional en otra proteína nuclear simplemente por su similitud con la NLS SV40. De hecho, sólo un pequeño porcentaje de proteínas nucleares celulares (no virales) contenían una secuencia similar a la del SV40 NLS. Un examen detallado de la nucleoplasmina identificó una secuencia con dos elementos formados por aminoácidos básicos separados por un brazo espaciador. Uno de estos elementos era similar al SV40 NLS pero no podía dirigir una proteína al núcleo celular cuando se unía a una proteína informadora no nuclear. Ambos elementos son necesarios. [13] Este tipo de NLS se conoce 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] (la base estructural de algunas NLS monopartitas también se conoce [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 del 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 poros. [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 importina de receptores NLS y la GTPasa Ran .
Las proteínas ingresan al núcleo a través de la envoltura nuclear. La envoltura nuclear está formada por membranas concéntricas, la exterior y la interior. Las membranas interna y externa se conectan en múltiples sitios, formando 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, lo que en última instancia reduce su afinidad por la importina. Se libera importina y Ran-GDP se recicla de nuevo al núcleo, donde un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) intercambia su PIB por GTP.