16.4
Sygnały i import lokalizacji jądrowej
Białka skierowane do jądra niosą krótkie odcinki sekwencji aminokwasowych zwane sygnałem lokalizacji jądrowej (NLS). Klasyczne sygnały lokalizacji jąd…
Białka importowane z cytozolu do jądra zawierają krótkie odcinki sekwencji aminokwasowych zwane sygnałami lokalizacji jądrowej lub NLS.
Importyny, wyspecjalizowane receptory importu jądrowego, rozpoznają NLS białek ładunkowych i transportują je do jądra przez kompleksy porów jądrowych lub NPC.
Importyny są obecne w cytozolu jako rozpuszczalne dimery podjednostki alfa i beta. Importyna alfa wiąże NLS białka ładunkowego, tworząc kompleks ładunk-receptor.
Importyna beta wiąże włókienka cytoplazmatyczne rozciągające się od NPC i dokuje kompleks ładunk-receptor do otworu kanału.
Wewnętrzny kanał NPC jest wyłożony powtórzeniami bogatymi w fenyloalaninę-glicynę lub FG, które tworzą żelową selektywną barierę.
Gdy kompleks ładunk-receptor przemieszcza się przez kanał, podjednostka beta nawiązuje wiele słabych kontaktów z powtórzeniami FG i przeskakuje przez kanał, przerywając interakcje między powtórzeniami FG i rozpuszczając barierę podobną do żelu. Poprzez takie powtarzające się kontakty i rozpuszczanie, kompleks ładunek-receptor przemieszcza się do wnętrza jądra.
W jądrze białko związane z GTP zwane Ran wiąże importynę beta i indukuje zmianę konformacyjną w receptorze w celu uwolnienia białka ładunkowego.
Kompleks importin-Ran-GTP jest następnie transportowany z powrotem do cytozolu, gdzie GTP jest hydrolizowany, uwalniając importyny do kolejnej rundy importu ładunku.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.