Wykład 2
Organizacja jądra
komórkowego – pory jądrowe,
transport jądrowy
Wykład 2
Organizacja jądra
komórkowego – pory jądrowe,
transport jądrowy
Pochodzenie komórki eukariotycznej
?
Jak powstało jądro komórkowe, retikulum endoplazmatyczne, cytoszkielet,
mitochondria i chloroplasty i jaka była kolejność powstawania tych organelli?
Jak powstało jądro komórkowe?
Gram +
eubakteria
Gram +
eubakteria
Archebakteria
Eukariont bez
mitochondriów
Eukariont bez
mitochondriów
Tworzenie endospory
Inwaginacje błon
Pochłonięcie
archebakterii
Archebakteria
Jak powstało jądro komórkowe?
Gram +
eubakteria
Gram +
eubakteria
Gram +
eubakteria
Archebakteria
Eukariont bez
mitochondriów
Eukariont bez
mitochondriów
Inwaginacje błon
Pochłonięcie
archebakterii
Archebakteria
Eukariont jako wynik partnerstwa bakterii i
archebakterii: hipoteza „chimery”
• Fagotrofia
• Fuzja
• Symbioza: syntrofia metaboliczna
Struktura jądra komórkowego
Otoczka jądrowa
Jąderko
Heterochromatyna
Euchromatyna
Blaszka jądrowa
Błona zewnętrzna
otoczki jądrowej
Błona wewnętrzna
otoczki jądrowej
Przestrzeń
okołojądrowa
Nukleoplazma
Matriks jądrowa - jądro komórkowe
pozbawione chromatyny
Otoczka jądrowa ma ciągłość z retikulum
endoplazmatycznym oraz zawiera liczne pory
Jąderko
Chromatyna
Otoczka jądrowa
Por jądrowy
Rybosom
Retikulum
endoplazmatyczne
Wnętrze retikulum
endoplazmatycznego
Zewnętrzna warstwa
otoczki jadrowej
Wewnetrzna
warstwa
Funkcje otoczki i kompleksów
porowych
• Ochrona materiału genetycznego
• Selektywna bariera pozwalająca na regulację
procesów zachodzących w jądrze komórkowym
(replikacja, ekspresja genów)
• Dwukierunkowy transport jądrowo-cytoplazmatyczny
• Przez kompleksy porowe transportowane są białka,
RNA, rybonukleinoproteiny
Otwarta i zamknięta mitoza
Otwarta mitoza
Zamknięta mitoza
Powierzchnia otoczki jądrowej od
strony cytoplazmatycznej
• Drożdże: 200 porów na
jądro
• Komórki ludzkie: 2000
do 5000 porów na jądro
• Oocyty
Xenopus
: 20 mln
na jądro
• Rozmieszczenie porów
nie jest równomierne
Mikroskopia sił atomowych
Zdjęcia kompleksów porowych
Strona cytoplazmatyczna
Strona cytoplazmatyczna
Strona cytoplazmatyczna
Strona jądrowa
Strona jądrowa
Model kompleksu porowego
(rok 1993)
Filament cytoplazmatyczny
Pierścień cytoplazmatyczny
Pierścień jądrowy
Centralny szkielet
Koszyk jądrowy
Pierścień dystalny
Błona zewnętrzna
Błona wewnętrzna
Szprycha
Centralna zatyczka
Jądro
Cytoplazma
Otoczka
jądrowa
Istnieje kilka modeli kompleksów
porowych
Centralna zatyczka jest strukturą labilną,
która reprezentuje albo transportowane
kargo albo wsunięty koszyk jądrowy
45% porów zatkanych
12% porów zatkanych
Filament cytoplazmatyczny
Pierścień cytoplazmatyczny
Pierścień jądrowy
Centralny szkielet
Kanał boczny
Filament jądrowy
Koszyk jądrowy
Pierścień dystalny
Błona zewnętrzna
Błona wewnętrzna
Trójwymiarowy model poru jądrowego na podstawie krio-
elektronowej trójwymiarowej tomografii (rok 2003)
90 nm – długość części centr.
50-70 nm – średnica części centr.
50 nm – dł. filamentów cyt.
70 nm – dł. koszyka jądrowego
Wnętrze poru jądrowego wypełnione jest prawdopodobnie
siecią/meszkiem zbudowaną z ruchliwych domen FG, które nie
tworzą struktur drugorzędowych
Kompleks porowy zbudowany jest
z nukleoporyn (Nup)
•
Por jądrowy składa się z 30 białek zwanych nukleoporynami (Nup), które
występują w wielu kopiach (w sumie 456 białek na jeden por jądrowy)
•
Wyróżniamy 3 rodziny nukleoporyn:
1) Nukleoporyny transmembranowe (TM) zbudowane z alfa helis zakotwiczone w
błonie jądrowej; występują w centralnym szkielecie
2) Nukleoporyny niezawierające motywy FG; w tej grupie są białka zawierające
domeny beta-śmigła i solenoidy alfa występujące w centralnym szkielecie
3) Nukleoporyny zawierają charakterystyczne powtarzające się motywy FG
(FXFG, GLFG lub FG, gdzie F-fenyloalanina, G-glicyna, L-leucyna, X-dowolny
aminokwas); występują we wszystkich częściach kompleksu porowego
•
Większość nukleoporyn rozmieszczona jest symetrycznie, nieliczne występują
tylko stronie cytoplazmatycznej lub jądrowej
Beta-śmigło
Alfa-solenoid
Budowa szkieletu centralnego
kompleksu porowego
Kotwice
Płaszcz
Adaptory
Kanał
Białka płaszcza szkieletu centralnego i białka zaginające błony
(tworzenie pęcherzyków) mają wspólne pochodzenie i pierwotne
białka z tej grupy mogły przyczynić się do powstania
kompartmentów błonowych
Filamenty cytoplazmatyczne i
koszyk jądrowy zbudowane są
głównie z nukleoporyn FG
Mobilność nukleoporyny Nup153
N-koniec
Palec cynkowy
FG FG FG FG
Transport cytoplazmatyczno-jądrowy
•
Kompleksy porowe pozwalają na pasywną dyfuzję jonów i małych neutralnych
molekuł do 40 kDa zgodnie z gradientem stężeń
•
Selektywny (zależny od specjalnych sygnałów) transport:
- do jądra: białek (uczestniczących w transkrypcji, replikacji, splicingu, naprawie
DNA)
- z jądra: RNA (mRNA, tRNA, rRNA i snRNA) głównie w postaci kompleksów z
białkami (RNP, rybonukleoproteiny)
- w obu kierunkach (białka regulatorowe, snRNA).
•
Transport jest bardzo szybki i intensywny: około 100 MDa na sekundę może być
transportowane przez jeden por; obliczono, że może się odbywać 1000 translokacji
na sekundę przez jeden por jądrowy
Sygnały transportu cytoplazmatyczno-
jądrowego
Białka selektywnie transportowane prze kompleks poru jądrowego zawierają
w swojej strukturze sekwencję sygnałową, która określa kierunek
transportu:
– białka transportowane z cytoplazmy do jądra komórkowego mają
sekwencję sygnałową o nazwie sygnał lokalizacji jądrowej NLS (ang.
Nuclear Localization Signal); zidentyfikowano dwa typy klasycznych
sygnałów NLS bogatych w reszty lizyny: typ I (PKKKRKV) oraz typ
II (VKRX
10
KKKKLD); sygnałem kierującym małe rybonukleoproteiny
jądrowe (U snRNP) jest reszta trimetyloguanozyny zwana kapem na
końcu 5’ U snRNA;
– białka transportowane z jądra do cytoplazmy mają sekwencję
sygnałową o nazwie sygnał jądrowego eksportu NES (ang. Nuclear
Export Signal); większość sygnałów NES to krótkie sekwencje (8-11
reszt) bogate w leucynę.
Fazy transportu cytoplazmatyczno-jądrowego
1.
rozpoznanie i wiązanie transportowanej molekuły (kargo) przez receptora
transportu i połączenie utworzonego kompleksu kargo-receptor z
nukleoporynami poru jądrowego
2.
translokacja kompleksu kargo-receptor przez kanał centralny poru dzięki
interakcjom receptora transportu z powtórzeniami FG w nukleoporynach
3.
dysocjacja kompleksu kargo-receptor, której efektem jest uwolnienie
transportowanego kargo
Główne składniki transportu jądrowego
–
receptory transportu: karioferyny (Kaps); importyny i
eksportyny
–
nukleoporyny FG
–
białko RanGTP(GDP)
Kompleks importyna alfa/beta
Receptory transportu cytoplazmatyczno-
jądrowego
Receptor
Kargo
Import:
heterodimer importyna alfa i beta
importyna beta
białko NTF2
Eksport:
eksportyna 1 (Crm1, Expo1)
eksportyna 2 (CAS, CSE1)
eksportyna t
eksportyna 5
eksportyna Tap/Nxf1
białka z klasycznymi NLS
snRNA U1, U2, U4, U5
RanGDP
białka z sekwencją NES
importyna αlfa
tRNA
miRNA
mRNA
Export RNA z jądra do cytoplazmy
Białko Ran
•
Pełni istotną rolę w regulacji oddziaływań między receptorami transportu a białkami
transportowanymi
•
Białko o masie 26 kDa z rodziny białek G, wiążących GTP
•
Składa się z sześciu harmonijek β otoczonych pięcioma helisami α połączonymi pętlami
•
Charakterystyczny jest długi C-końcowy koniec, który oddziaływuje z receptorami transportu
•
W zależności od tego czy z białkiem Ran jest związany GTP czy GDP, zmienia się konformacja
przestrzenna pętli I i II oraz C-końca, co wpływa na siłę interakcji białka Ran z kompleksami
kargo-receptor transportu
Mechanizm importu jądrowego
eksportyna
Mechanizm eksportu jądrowego
JĄDRO
NES
NES
Cykl RanGTP/GDP
RCC1=RanGEF
Regulacja transportu cytoplazmatyczno-
jądrowego przez maskowanie molekularne
Mechanizm translokacji przez NPC
1. Model gradientu powinowactwa
Mechanizm translokacji przez NPC
2. Ukierunkowywane
ruchy Browna
3. Selektywna faza
4. „Tłuste spaghetti”
Niekanoniczne funkcje jądrowych kompleksów porowych – biorą udział w
sumoilacji i desumoilacji białek związanych z hnRNA, naprawą DNA,
replikacją DNA, lokalizacją i represją telomerów