主題:核孔

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Cell:研究解決核孔復合物調控亞端粒基因沉默

2月28日,國際頂級學術期刊《細胞》(Cell)發表了東南大學生命科學研究院/“發育與疾病相關基因”教育部重點實驗室萬亞坤課題組關于核孔蛋白調控染色質結構的研究成果(“A Role for the Nucleoporin Nup170p in Chromatin Structure and Gene Silencing”,Cell, Volume 152, Issue 5, 28 February 2013, Pages 969-983)。該成果由加拿大阿爾伯塔大學、美國系統生物學研究所和東南大學聯合完成,得到國家自然基金資助,萬亞坤為論文并列第一作者。

 

端粒是真核生物染色體中基因調控的一個特殊的位點,位于端粒附近的基因其轉錄活性往往受到抑制,但細胞如何精確地調控端粒末端基因轉錄沉默的作用機理尚不清楚。萬亞坤等應用系統生物學手段分析,發現核孔復合物Nup170的缺失能導致端粒位置效應的消失,Nup170與組蛋白泛素化、組蛋白乙酰化、染色質重塑分子等眾多參與染色質結構的基因存在著遺傳互作,并發現其與染色質重塑分子Sth1之間存在著物理相互作用。研究人員還系統地繪制了Nup170在基因組的結合草圖,發現了Nup170與亞端粒的結合依賴于端粒沉默信息分子Sir4途徑。

 

該研究成果采用系統生物學的研究手段,首次揭示出核孔復合物通過與染色質重塑分子作用調控亞端粒區域染色質的結構,解決了長期以來人們對核孔復合物調控亞端粒基因沉默作用機制這一科學難題。由于亞端粒區的基因轉錄沉默與細胞衰老、人類疾病密切相關,該成果將為探索細胞衰老及相關疾病提供科學依據。

日期:2013年3月11日 - 來自[遺傳與基因組]欄目

癌基因eIF4E重編程核孔復合體來促進mRNA輸出和致癌性轉化

真核細胞翻譯起始因子eIF4E是一種強大的癌基因,它能夠促進特異性的mRNA轉錄本從細胞核輸出。在一項新研究中,來自加拿大蒙特利爾大學的研究人員發現eIF4E改變核孔復合體(nuclear pore complex, NPC)的胞質面,從而提高eIF4E的靶mRNA從細胞核輸出。

mRNA從細胞核輸出一個高度調節的過程:大分子復合物通過核孔復合體運輸到細胞質。核孔復合體是由核籃(nuclear basket)、跨過核膜的中央通道和胞質面(通過纖絲延伸到細胞質)組成的。

一般來說,核輸出復合物是通過含細胞核輸出信號的蛋白、染色體區域維持蛋白1(chromosome region maintenance protein 1, CRM1)和RanGTP而形成的。它們通過核藍進入核孔復合體,然后通過中央通道進入胞質面。

一旦到達胞質面,運輸物通過兩種機制之一的一種從核輸出復合物中釋放出來的。CRM1-運輸物-RanGTP復合物就通過與RanGAP結合而與可溶性的RanBP1結合在一起,從而導致RanGTP水解,因而使得運輸物從CRM1中釋放出來。或者,細胞質纖絲蛋白RanBP2/Nup358(Nucleoporin 358)的RanBP1同源結構域與RanGAP結合而導致RanGTP水解而將結合到CRM1上的運輸物釋放出來。

盡管大多數mRNA利用核受體TAP/NXF1經過核孔復合體,但是一些mRNA的輸出是通過CRM1介導的,包括依賴于eIF4E的mRNA輸出。

在這項研究中,研究人員利用免疫熒光和激光共聚焦掃描顯微鏡以及貼壁依賴性聚集點檢測(anchorage-dependent foci assay)方法開展實驗,并證實eIF4E過量表達導致核孔復合體的胞質面發生較大的變化,而這種變化與它的mRNA輸出和致癌活性相關聯。特別地,eIF4E顯著性地降低核孔復合體胞質纖絲中的主要組分RanBP2,重新定位Nup214,并且提高RanBP1的水平和RNA輸出因子Gle1和 DDX19的水平。他們證實通過遺傳或藥物手段抑制eIF4E能夠阻止這些影響發生。

此外,他們還發現RanBP2是一種強大的抑制物,能夠特異性地抑制eIF4E的mRNA輸出功能。RanBP2過表達會特異性地抑制依賴于eIF4E的mRNA輸出通路并且損害eIF4E的致癌性轉化。RanBP2細胞質纖絲很可能延緩關鍵性的核輸出因子的釋放到細胞核中,或者在細胞核中循環利用。但是eIF4E能夠通過間接地降低RanBP2的水平來克服這種抑制性機制。

研究人員作出結論,癌基因eIF4E改變核孔復合體的組成,而導致核孔復合體的胞質面發生顯著性的改變,從而提高mRNA的輸出,并且增加它的致癌潛能。他們還猜測,這種活性可能不只是eIF4E如此,其他的癌基因也可能對核孔復合體進行重編程而破壞正常的細胞生長控制。

日期:2012年9月7日 - 來自[腫瘤相關]欄目

PNAS:mRNA轉運機制新發現

生物藍圖儲存在遺傳物質中,而高等生物的遺傳信息儲存在受到良好保護的細胞核中。“在那里,復制機制‘copier’日以繼夜對所需信息進行拷貝,”文章第一作者,Bonn大學物理學和理論化學研究所的Jan Peter Siebrasse說。這些拷貝包含著細胞生產至關重要的酶和其他細胞結構物質的信息。這些拷貝由信使mRNA構成,mRNA攜帶著遺傳信息從細胞核膜上的核孔轉運到細胞質中。

Bonn大學的研究人員對mRNA經核孔的轉運進行了研究,并實時拍攝了mRNA離開細胞核的過程。該研究發表在Proceedings of the National Academy of Sciences雜志上。

研究人員用發熒光的hrp36標記了Chironomus tentans唾液腺活細胞的裸mRNP顆粒,并用發熒光的NTF2標記其核膜。通過單層光顯微技術light sheet microscopy,研究人員追蹤了單個mRNA顆粒通過核膜的過程。研究發現該顆粒頻頻接觸核孔復合體(NPC),但只有25%的幾率成功轉運。該個過程可能與mRNP在轉運前需要重新定位和展開有關。

核孔的質控

研究人員發現,mRNA在被轉運到細胞質前,會在細胞核膜上的核孔附近逗留。他們推測這也許是一種“質量控制”機制,或者是因為mRNA需要經過調整才能穿過核孔。研究人員觀察到整個轉運過程可能持續從65毫秒到數秒鐘。“很可能,該過程轉運大mRNA分子比轉運小分子所需的時間更長,”該文章的資深作者,該團隊的帶頭人Ulrich Kubitscheck教授說。

有趣的是,當mRNA與細胞核每碰撞四次才會發生一次成功的轉運。研究人員做出了兩種截然不同的推測:一種可能是,有些mRNA與核膜的碰撞沒有接觸到核孔;另一中可能是,這些不成功的轉運是由質量控制機制引起的。

包裝在蛋白“箱”中的RNA

研究人員發現,RNA被包裝在一個蛋白質“箱”中進行轉運。“而且還形成了很大一塊,”Kubitscheck教授說。這也引發他的同事做出假設,在細胞核外有將“箱子”拉出核孔的輔助機制。目前Jan Peter Siebrasse正與物理學家合作研究該假設的可能性。

Bonn大學Kubitscheck教授的團隊近年明確了mRNA從“copier”到核孔的過程。研究人員使mRNA發熒光,并通過顯微鏡和高速攝相機,在蚊子口腔腺活細胞中追蹤這些含有遺傳物質的分子,每秒拍得500張照片。生物通 www.ebiotrade.com 

在了解了mRNA從“copier”到細胞核膜的過程后,Kubitscheck教授及其同事將他們的注意力轉向核孔轉運的研究。為了觀察這一過程,他們用了數年來構建一種基于靶標照明的高靈敏度光學顯微鏡。該顯微鏡能拍攝出活樣本的精細照片,并且通過高頻率的拍攝形成強烈的對比。

在真核細胞中mRNA的核轉運是一個關鍵的轉運過程。近年來,美國和以色列的研究者在這一方向發表了兩篇文章。在他們的研究中,被改造的mRNA的體積至少增加了一倍。而Bonn大學的這項研究中,研究人員對mRNA的修飾幾乎可以忽略不計。 

Bonn大學的這項研究中,研究人員對mRNA的修飾幾乎可以忽略不計。

(生物通編輯:葉予)

日期:2012年6月1日 - 來自[RNA研究]欄目

核孔主要組分的三維結構

每個細胞核都含有有機體的全部基因組,而鑲嵌在核膜上的核孔復合體(NPCs)則是進出核區通道分子的“門衛”,可以選擇性的輸入和輸出各種物質。美國洛克菲勒大學研究人員首次分析了NPC  亞復合體Nup80  的完整三維結構,并向拼合NPC  的結構邁出重要的一步。研究結果在線發表在6  月7  日Nature  Structural  &  Molecular  Biology  雜志上。
本研究是由美國洛克菲勒大學細胞生物學實驗室Günter  Blobel  教授的研究生Martin  Kampmann  完成的,他補充了NPC  和在細胞內不同部位間物質運輸的主要工具——有被小泡的認識。早在1980  年,Blobel  教授就提出了細胞內膜系統的概念,細胞內膜系統包括膜圍繞的細胞核和小泡,它是由細胞外膜經過折疊內陷形成的。而來自洛克菲勒大學的Brian  Chait  和Michael  Rout  教授則在2004年PLoS  Biology  上發表的一篇文章中提出,具有相似蛋白質折疊結構的NPC  和有被小泡都是由初生內膜的原始膜包被蛋白逐漸發展形成的。
此前研究人員仍不清楚這些原始的折疊在NPCs  中是如何作用的,當前研究中則發現由α螺旋形成靈活的長臂與更緊密的球形β螺旋相絞連。同樣的構造在組成有被小泡的網格蛋白中也有發現。
完整的NPC  分子量很大,由30  種蛋白質組成。研究人員分離純化了NPC中最重要的組分——Nup80  復合體,后者是由7  個蛋白質分子組成的。利用電子顯微鏡(EM)對不同狀態或不同構造的Nup84  復合體拍攝了上千張照片,結果顯示Nup84  復合體在不同大小的分子通過NPC  的運輸過程中具有擴張和收縮的功能和形態。通過計算分析,研究人員首次重構了Nup84  復合體的三維結構模型。基于前期Blobel  實驗室利用X-射線晶體學對Nup84  復合體中每種蛋白質原子組成結構的精確分析,Kampmann  將這些蛋白質對應到EM  結構的相應位置。
NPC  的體積很大且結構松散,因此不能利用X-射線晶體學研究完整的分子結構。電子顯微鏡(EM)對其三維結構的研究有助于解決這一問題。Kampmann將電子顯微鏡方法應用于對其他亞單位的研究,以期揭開分子生物學中最神秘機制的面紗。
由于NPC  在細胞最基本的生理過程中具有重要作用,所以NPC  的組裝、結構和功能的任何缺陷都可能引起致命的后果。例如,NPC  的組成蛋白與病毒感染、原發性膽汁肝硬化及癌癥腫瘤的發生有關。對NPC  功能和機理的了解將有助于找到治療這些疾病的方法,同時,揭示它的進化策略將有助于在細胞中發現基因保護性結構。
熊  燕  編譯自http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090607153258.htm
日期:2009年6月24日 - 來自[技術要聞]欄目

Cell:體衰新標志人老“孔”先老

好像步履蹣跚、動脈栓塞和健忘貪睡還不夠勁兒,新的研究又為我們找到了年老體衰的另一出令人煩惱的變化——只允許某種分子進入或離開細胞核的核孔開始出現滲漏。這一新發現給出了這樣一種可能性,即“自由通行的”核孔觸發了一些與年紀有關的身體衰退過程。
  
核孔并非只是一些簡單的小孔。每個核孔大約由30種不同的蛋白質——名為核孔蛋白,負責控制進入以及離開細胞核的物質——構成。這些支架核孔蛋白組成了穿越核膜的通道,同時外圍的核孔蛋白則形成了核孔的外部結構。當一個細胞進行分裂時,它會轉移并重建自己的核孔。然而,大多數細胞在成熟后便不會再分裂。在這些成熟的細胞中,外圍的核孔蛋白將會被規律性地替代。但是,由支架核孔蛋白形成的通道會發生什么樣的變化呢?
  
為了回答這個問題,美國加利福尼亞州圣地亞哥市索爾克生物學研究所的細胞生物學家Martin  Hetzer和同事,對不發生細胞分裂的小鼠肌肉細胞是否會取代這些支架蛋白質進行了分析。最終的答案是否定的。研究人員同時在蠕蟲細胞中也發現了類似的結果——這些細胞并不會制造新的支架核孔蛋白,但卻會持續形成一些新的外圍核孔蛋白。一旦這些支架蛋白質到達了適當的位置,它們便會永久地待在那里。研究人員在最新出版的《細胞》雜志上報告了這一研究成果。
  
這意味著隨著老化的過程,核孔會積聚損傷。事實上,研究小組發現,那些老年小鼠細胞的核孔能夠讓一種在正常情況下因太大而無法通過的分子進入細胞核。在蠕蟲中,當利用一種能夠引發活性氧分子——新陳代謝產生的廢物,許多研究人員懷疑它能夠導致衰老——的化合物進行處理后,核孔滲漏的情況增加了。
  
盡管滲漏的核孔如何引發衰老尚未完全搞清,但一種可能性是,某些蛋白質因此而進入了細胞核,從而破壞了基因的活性。滲漏的核孔同時還能夠讓細胞核中的蛋白質逃逸到細胞的其他部分中去,并最終造成麻煩。
  
康奈爾大學的發育生物學家Jun  Liu表示,“我非常高興能夠有其他人開始關注細胞核構造”與衰老之間的關系。但是她指出,還需要進行更多的研究,從而確定滲漏的核孔究竟是造  成衰老的原因還是僅僅是后者的一個受害者。哥倫比亞大學的細胞生物學家Howard  Worman對此表示贊同,他說,關鍵的問題在于研究人員能否在受損的核孔與“病理學家在顯微鏡下觀察到的老化器官或老化組織”之間建立起聯系。
日期:2009年2月12日 - 來自[老年醫學]欄目

核孔復合物的結構

        核孔復合物在細胞中起關鍵作用,它是細胞質與細胞核內物質輸送活動的看護者。它是一種大型超級分子復合物,由多個版本的大約30種不同蛋白組成——總共至少有450個蛋白分子。細胞生物學家將會非常想知道這些分子中的每一個是怎樣放置到各自的位置而構成核孔的,但迄今為止,傳統的結構研究卻未能弄清這一點。不過現在,一種復雜的、基于蛋白組學的新方法為酵母核孔復合物的結構提供了一個詳細的視圖。該復合物的一半是由一個核心腳手架組成的,它形成一個覆蓋在核包裹膜表面上的網絡,該復合物就潛入在這層膜之內。這一具有選擇性的輸送障礙機構由大量貼在該腳手架內面的蛋白組成。盡管這種復合物很大,但其中卻只有少數幾個結構模塊。這種結構上的簡單性為了解其演化起源提供了可能的線索:它可能起源于一種“原始的”核孔復合物。
日期:2007年12月1日 - 來自[技術要聞]欄目

12-1 核被膜

  核被膜是包在核外的雙層膜結構。它將DNA與細胞質分隔開,形成核內特殊的微環境,保護DNA分子免受損傷;使 DNA的復制和RNA的翻譯表達在時空上分隔開來;此外染色體定位于核膜上,有利于解旋、復制、凝縮、平均分配到子核,核被膜還是核質物質交換的通道。

  一、核被膜是雙層膜結構

  核被膜由內核膜(inner nuclear membrane)、外核膜(outer nuclear membrane)和核周隙(perinuclear space)三部分構成。核被膜上有核孔與細胞質相通(圖12-2、3)。

  外核膜胞質面附有核糖體,并與內質網相連,核周隙與內質網腔相通,可以說是內質網的一部分。外核膜上附著10nm的中間纖維intermediate filament,可見核是被內質網和中間纖維相對固定的。

  核周隙寬20~40nm,腔內電子密度低,一般不含固定的結構。

  內核膜的內表面有一層網絡狀纖維蛋白質,叫核纖層(nuclear lamina),可支持核膜(圖12-3、4)。

圖12-2 核被膜的TEM照片

圖12-3 核被膜的結構

  核纖層由核纖肽(lamin)構成,核纖肽分子量約60~80KD,是一類中間纖維,在哺乳類和鳥類中可分為A、B兩型。

  核纖層的作用有以下兩個方面:

  1.保持核的形態:是核被膜的支架,用高鹽溶液、非離子去污劑和核酸酶去除大部分核物質,剩余的核纖層仍能維持核的輪廓。此外,核纖層與核骨架以及穿過核被膜的中間纖維相連,使胞質骨架和核骨架形成一連續網絡結構。

  2.參與染色質和核的組裝:核纖層在細胞分裂時呈現出周期性的變化,在間期核中,核纖層提供了染色質(異染色質)在核周邊錨定的位點。在前期結束時,核纖層被磷酸化,核膜解體。其中B型核纖肽與核膜殘余小泡結合,A型溶于胞質中。在分裂末期,核纖肽去磷酸化重新組裝,介導了核膜的重建。

圖12-4 核纖層結構

  二、核孔是物質運輸的通道

  核孔是細胞核與細胞質之間物質交換的通道,一方面核的蛋白都是在細胞質中合成的,通過核孔定向輸入細胞核,另一方面細胞核中合成的各類RNA、核糖體亞單位需要通過核孔運到細胞質。此外注射實驗證明,小分子物質能夠以自由擴散的方式通過核孔進入細胞核。

  核孔由至少50種不同的蛋白質(nucleoporin)構成,稱為核孔復合體(nuclear pore complex,NPC)。一般哺乳動物細胞平均有3000個核孔。細胞核活動旺盛的細胞中核孔數目較多,反之較少。如蛙卵細胞每個核可有37.7X106個核孔,但其成熟后細胞核僅150~300個核孔。

圖12-5 抽提后核孔核質面的結構

  在電鏡下觀察,核孔是呈圓形或八角形(圖12-4、5),一般認為其結構如fish-trap,主要包括以下幾個部分:①胞質環(cytoplasmic ring),位于核孔復合體胞質一側,環上有8條纖維伸向胞質;②核質環(nuclear ring),位于核孔復合體核質一側,上面伸出8條纖維,纖維端部與端環相連,構成籠子狀的結構;③轉運器(transporter),核孔中央的一個栓狀的中央顆粒;④輻(Spoke):核孔邊緣伸向核孔中央的突出物(圖12-6)。

 

圖12-6 核孔結構模型

  三、通過核孔的物質運輸與信號序列有關

  1982年R. Laskey發現核內含量豐富的核質蛋白(nucleoplasmin)的C端有一個信號序列,可引導蛋白質進入細胞核(圖12-7),稱作核定位信號(nuclear localization signal,NLS)。第一個被確定的NLS是病毒SV40的T抗原,它在胞質中合成后很快積累在核中。其NLS為:pro-pro-lys-lys-lys-Arg-Lys-val,即使單個氨基酸被替換,亦失去作用。

圖12-7 金標記的核質素穿越核孔

  NLS由4-8個氨基酸組成,含有Pro、Lys和Arg。對其連接的蛋白質無特殊要求,并且完成核輸入后不被切除。

  Karyopherin是一類與核孔選擇性運輸有關的蛋白家族,相當于受體蛋白。其中imporin負責將蛋白從細胞質運進細胞核,exportin負責相反方向的運輸。

  通過核孔復合體的轉運還涉及Ran蛋白,Ran是一種G蛋白,調節貨物受體復合體的組裝和解體,在細胞核內Ran-GTP的含量遠高于細胞質。

  核質蛋白向細胞核的輸入可描述如下:①蛋白與NLS受體,即imporin α/β二聚體結合;②貨物與受體的復合物與NPC胞質環上的纖維結合;③纖維向核彎曲,轉運器構象發生改變,形成親水通道,貨物通過;④貨物受體復合體與Ran-GTP結合,復合體解散,釋放出貨物;⑤與Ran-GTP結合的imporin β,輸出細胞核,在細胞質中Ran結合的GTP水解,Ran-GDP返回細胞核重新轉換為Ran-GTP;⑥imporin α在核內exportin的幫助下運回細胞質(圖12-8)。

圖12-8 核質素輸入細胞核的過程

  對細胞核向細胞質的大分子輸出了解較少,大多數情況下,細胞核內的RNA是與蛋白質形成RNP復合物轉運出細胞核的。RNP的蛋白質上具有核輸出信號(nuclear export signal, NES),可與細胞內的受體exportin結合,形成RNP-exportin-Ran-GTP復合體,輸出細胞核后,Ran-GTP水解,釋放出結合的RNA,Ran-GDP、exportin和RNP蛋白返回細胞核。

日期:2007年9月25日 - 來自[細胞生物學]欄目
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