16.4
Nukleäre Lokalisierungssignale und Import
Proteine, die in den Zellkern transportiert werden sollen, tragen kurze Abschnitte von Aminosäuresequenzen, die als Kernlokalisierungssignal oder NLS…
Proteine, die aus dem Zytosol in den Zellkern importiert werden, enthalten kurze Abschnitte von Aminosäuresequenzen, die als Kernlokalisationssignale oder NLS bezeichnet werden.
Importine, spezialisierte nukleare Importrezeptoren, erkennen das NLS von Frachtproteinen und transportieren sie durch die Kernporenkomplexe (NPCs) in den Zellkern.
Importine liegen im Cytosol als lösliche Dimere einer alpha- und einer beta-Untereinheit vor. Importin alpha bindet das NLS eines Frachtproteins zu einem Fracht-Rezeptor-Komplex.
Importin beta bindet zytoplasmatische Fibrillen, die sich vom NPC erstrecken, und dockt den Cargo-Rezeptor-Komplex an die Kanalöffnung an.
Der innere Kanal des NPC ist mit Phenylalanin-Glycin oder FG-reichen Wiederholungen ausgekleidet, die eine gelartige selektive Barriere bilden.
Während sich der Ladungs-Rezeptor-Komplex durch den Kanal bewegt, stellt die Beta-Untereinheit mehrere schwache Kontakte mit den FG-Wiederholungen her und hüpft über den Kanal, wodurch die Wechselwirkungen zwischen den FG-Wiederholungen unterbrochen und die gelartige Barriere aufgelöst wird. Durch solche wiederholten Kontakte und Auflösungen wandert der Ladungs-Rezeptor-Komplex im Inneren des Zellkerns.
Im Zellkern bindet ein GTP-gebundenes Protein namens Ran an Importin beta und induziert eine Konformationsänderung des Rezeptors, um das Frachtprotein freizusetzen.
Der Importin-Ran-GTP-Komplex wird dann zurück zum Zytosol transportiert, wo GTP hydrolysiert wird, wodurch die Importine für eine weitere Runde des Frachtimports freigesetzt werden.
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Q1: What are nuclear localization signals and why do proteins need them?
Nuclear localization signals (NLS) are short stretches of amino acid sequences that mark proteins for nuclear import. Proteins destined for the nucleus contain these signals, which are recognized by specialized import receptors called importins. Without NLS, proteins cannot be directed to and transported across the nuclear envelope.
Q2: How do importin alpha and importin beta work together during nuclear import?
Importin alpha recognizes and binds the NLS of cargo proteins, forming a cargo-receptor complex. Importin beta then binds to cytoplasmic fibrils extending from the nuclear pore complex and docks the cargo-receptor complex at the channel opening. Together, these subunits facilitate transport of the cargo protein into the nucleus.
Q3: What role do FG-rich repeats play in nuclear pore transport?
The inner channel of the nuclear pore complex is lined with phenylalanine-glycine (FG) repeats that form a gel-like selective barrier. As the cargo-receptor complex moves through, the importin beta subunit makes weak contacts with these FG repeats and hops across the channel, dissolving the gel-like barrier and allowing passage of the cargo protein.
Q4: What are the different types of classical nuclear localization signals?
Classical NLS exist in two forms: monopartite and bipartite. Monopartite NLS consists of a single cluster of 4-8 amino acids rich in lysine and arginine. Bipartite NLS contains two clusters of 2-3 amino acids separated by a 9-12 residue proline-rich linker. Both types are recognized by importin alpha for nuclear targeting.
Q5: How does Ran-GTP release cargo proteins inside the nucleus?
Once inside the nucleus, the GTP-bound protein Ran binds to importin beta and induces a conformational change in the receptor. This conformational change causes the importin alpha-cargo complex to dissociate, releasing the cargo protein into the nucleus. The importin-Ran-GTP complex is then transported back to the cytosol for recycling.
Q6: What happens to importins after they return to the cytosol?
When the importin-Ran-GTP complex returns to the cytosol, GTP is hydrolyzed to GDP, releasing the importins. The freed importin alpha and beta subunits dissociate and become available as soluble dimers in the cytosol for another round of cargo import, enabling continuous nuclear protein transport.
Q7: What are non-classical and cryptic nuclear localization signals?
Beyond classical monopartite and bipartite NLS, cells use non-classical NLS, putative NLS, spatial epitope NLS, and cryptic NLS for nuclear targeting. These alternative signal types provide flexibility in protein recognition and allow importins to transport diverse cargo proteins. Some proteins contain multiple NLS to enhance nuclear import efficiency.