蛋白質翻譯和加工轉運的遊離核糖體途徑（三）

很多核蛋白（例如組蛋白，RNA聚合酶和轉錄因子等）是由遊離核糖體翻譯的，在某種特定條件下透過核孔（nuclear pore）進入細胞核。除核蛋白外，RNA、核糖體亞基，以至於病毒顆粒等物質都需要透過核孔進行運輸。

細胞、核膜與核孔複合物。Integr Biol （Camb）。 2016 Oct 1； 8（10）： 1011–1021。

細胞核與細胞質之間物質運輸頻繁，所以有專門的運輸通道：核孔。一個哺乳動物細胞大約有幾百到幾萬個核孔，平均約2000-4000個。細胞核也是雙層膜，即內膜和外膜。在某些位置兩層膜融合起來，形成核孔。核孔複合物（nuclear pore complexes，NPC）用於維持核孔形態及管理物質運輸。

NPC是一種大型蛋白質複合物，由30多種（500多個）核孔蛋白（nucleoporins，Nups）構成。人類的NPC外徑約110 nm，高約70 nm，分子量約125 MD。

核孔複合物與跨核膜運輸。Cell。 2016 Mar 10； 164（6）： 1162–1171。

NPC含有有三個大的環狀結構，即細胞質環（外環），中央輻條環（central spoke ring，也稱為膜環）和核質環（內環），它們構成穩定的輪狀支架，包圍著中央轉運體（central transporter）。在細胞質側和核質側還有與之相連的蛋白質結構，分別稱為胞質纖絲（cytoplasmic filaments）和核籃（nuclear basket）。

核孔複合物結構。Nature。 2018 Mar 22； 555（7697）： 475–482。

通常直徑小於5 nm或質量小於40 kD的分子可以自由穿過NPC通道，而較大的分子就需要主動轉運。與其它靶向方式類似，這也需要蛋白本身的定位標籤，以及相應的識別受體和轉運機制。

NPC對蛋白質的運輸是雙向的，胞漿蛋白入核的標籤稱為核定位訊號（nuclear localization signal，NLS），核內蛋白出核的標籤稱為核輸出訊號（nuclear export signal，NES）。

最初鑑定的NLS多富含鹼性氨基酸，所以此類NLS稱為鹼性NLS或經典NLS（cNLS）。此類具體又分為兩種型別，即單一型（monopartite type）和雙分型（bipartite type）。前者是一段4-8個殘基的鹼性序列，如最早發現的SV40大T抗原NLS（PKKKRKV）；後者是兩段鹼性序列，中間相隔約10-12個殘基。

非經典NLS如脯氨酸-酪氨酸NLS（PY-NLS），因其保守的C-末端RX 2-5 PY基序而得名。人體中含有PY-NLS的蛋白至少有100多種。此外，酵母蛋白Hrp1和Nab2中的RG-NLS，以及hnRNP A1蛋白的38個氨基酸長的NLS（M9 sequence）都與PY-NLS類似，而STAT5a的NLS則是擴充套件的無規捲曲結構域。還有些蛋白具有多個不同種類的NLS。

PY-NLS的結構與識別方式。Biochim Biophys Acta。 2011 Sep； 1813（9）： 1593–1606。

核轉運受體（NTR）負責識別NLS，並攜帶貨物蛋白在核質間穿梭。目前發現的NTR都屬於核轉運蛋白（karyopherin，KAP或KPN）家族。karyopherin 來自希臘語，karyon相當於英語nucleus，pherein相當於英語bring。

核轉運蛋白按功能分為輸入蛋白（importin，Imp）和輸出蛋白（exporting）。另外還有所謂transportin（TRN），這個名稱是由於當時誤認為它既有輸入又有輸出功能，後來名稱被保留下來。相反，人類的importin 13和exportin 4都具有雙向運輸能力，但以其中一種為主，所以並不叫transportin。

按照結構和作用特點，核轉運蛋白分為α（KPNA）和β（KPNB）兩類。前者能夠識別經典NLS，但沒有穿梭功能，需要由KPNB攜帶入核。後者具有穿梭核質的作用，並可結合KPNA或非經典NLS或NES。

Importin-α的結構與亞型。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci。 2018 Aug 3； 94（7）： 259–274。

將兩種分類相結合，KPNA均為importin，所以karyopherin-α也稱為importin-α，現有7種亞型；而KPNB則包括importin-β和exportin，至少有19種亞型。

含cNLS的貨物蛋白與importin-α結合，然後再與importin-β1形成三元複合物，由importin-β1攜帶著透過NPC。入核之後複合物解離，釋放貨物蛋白，此時需要使兩種核轉運蛋白返回細胞質，以進行下一輪轉運。這個“再迴圈”過程需要一種小G蛋白，稱為Ran。

cNLS引導的入核過程。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci。 2018 Aug 3； 94（7）： 259–274。

Ran-GTP與三元複合物的結合使其解離。Importin-β1可以與Ran-GTP結合，透過NPC回到胞質；importin-α因為缺乏穿梭能力，所以除需要Ran-GTP外還需要一個輸出蛋白，如CAS（exportin2）或CRM1（exportin1）。

非經典NLS，如PY-NLS，可以直接與karyopherin-β2（也稱為transportin-1或importin-β2）結合，從而進入細胞核。所以說，非經典NLS不需要銜接蛋白，這是把importin-α看作cNLS與importin-β之間的接頭。Kapβ2除識別PY-NLS外，還可識別多種RNA結合蛋白，如hnRNP A1蛋白的M9序列等。

多種跨核膜運輸方式。FEBS J。 2015 Feb； 282（3）： 445–462。

NES是疏水性的短肽，具有LXXXLXXLXL的共有序列。RNA出核也靠NES。它本身沒有NES，而是在核質中形成核糖核蛋白複合物，藉助蛋白質組分的NES與exportin結合。例如，exportin-t負責tRNA的核輸出。

參考文獻

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