各種物質(zhì)進(jìn)出核孔的機(jī)制研究概述

關(guān)海燕 袁會(huì)峰 宋小鋒

隨著生活水平的提高，人們餐桌上的早餐也豐富起來(lái)，除了傳統(tǒng)的豆?jié){和油條，也有人愛(ài)吃牛奶和面包，這些食物的種類(lèi)和樣式各不相同，但都給我們的身體提供營(yíng)養(yǎng)。那么，具體到身體最小的組成單位——細(xì)胞，甚至其內(nèi)部的細(xì)胞核也都需要攝入自己所需要的“食物”。細(xì)胞、細(xì)胞核“吃食物”的方式有很多，其中細(xì)胞核有特別挑剔的“嘴巴”——核孔，它的挑剔體現(xiàn)在何處、有什么標(biāo)準(zhǔn)，本文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)闡述。

一、核被膜和核孔

1.核被膜。真核細(xì)胞的細(xì)胞核由一層生物膜包裹著遺傳物質(zhì)形成，這層生物膜便是核被膜。核被膜由厚度均為7.5nm的內(nèi)核膜和外核膜組成，兩層膜相互平行，中間間隔20-40nm，這一間隔稱(chēng)為核周間隙。正是由于核被膜的存在，真核生物基因表達(dá)的不同步驟在時(shí)間和空間上分隔開(kāi)才成為可能。一方面，核被膜將細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)分隔成兩個(gè)不同的功能區(qū)間，細(xì)胞核主要負(fù)責(zé)遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等，而蛋白質(zhì)翻譯等則在細(xì)胞質(zhì)中完成，兩個(gè)區(qū)間互不干擾、井然有序。另一方面，核被膜還是一個(gè)很重要的調(diào)度者，并不是所有的物質(zhì)都可以通過(guò)核被膜，哪些物質(zhì)可以進(jìn)入細(xì)胞核、進(jìn)入多少，都由核被膜來(lái)調(diào)控。

2.核孔復(fù)合體。核被膜的內(nèi)、外核膜都不完整，在某些位置會(huì)融合在一起，形成一個(gè)小孔，即核孔，核孔復(fù)合體便穿插在這個(gè)核孔中。核孔是控制細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間物質(zhì)交換的主要通道，就像是細(xì)胞核的“嘴巴”，它不僅挑選自己需要的“食物”，還需要核孔復(fù)合體的協(xié)助和參與來(lái)幫助它將“食物吃進(jìn)去”。

核孔的直徑為80-120nm，結(jié)合在核孔上的核孔復(fù)合體的直徑卻比核孔還要大，約為120-150nm。對(duì)于這一蛋白復(fù)合體是如何與核孔結(jié)合在一起的，學(xué)者們給出了不同的結(jié)構(gòu)模型，其中大家普遍接受也研究得比較清楚的是捕魚(yú)籠式模型。在這一模型中，核孔復(fù)合體包含以下4個(gè)基本結(jié)構(gòu)：一是胞質(zhì)環(huán)，朝向胞質(zhì)面并與外核膜相連，上面分布著8條細(xì)長(zhǎng)的纖維，并以對(duì)稱(chēng)形式排列。二是核質(zhì)環(huán)，分布于細(xì)胞核基質(zhì)并與核被膜的內(nèi)層膜連接。核質(zhì)環(huán)上伸出的8條纖維也以對(duì)成形式分布排列，且纖維之間的間距逐漸縮小，在末端形成一個(gè)比核質(zhì)環(huán)小得多的小環(huán)，這樣整體來(lái)看核質(zhì)環(huán)就像一個(gè)“捕魚(yú)籠”，也稱(chēng)作核籃。三是中央栓，具有錨定作用，可以將核孔復(fù)合體和核孔結(jié)合在一起。中央栓的成分為跨膜蛋白，分布在核孔的中央部位，一般為顆粒狀或棒狀。四是輻，這是一個(gè)輻射狀的連接裝置，把胞質(zhì)環(huán)、核質(zhì)環(huán)、中央栓牢固地連接在一起。輻呈八重對(duì)稱(chēng)分布，每一條都從核孔邊緣伸出，集合在核孔復(fù)合體中央。在這一結(jié)構(gòu)模型中，核孔復(fù)合體在核質(zhì)面和胞質(zhì)面并不對(duì)稱(chēng)。

核孔復(fù)合體由大約1000多個(gè)蛋白質(zhì)分子組合在一起，相對(duì)分子量約為1.25×108Da。它是細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的一個(gè)交換通道，具有雙功能和雙向性特點(diǎn)。雙功能是指對(duì)于核孔復(fù)合體而言，通過(guò)其進(jìn)出細(xì)胞核的方式是雙重的，有主動(dòng)運(yùn)輸，也有被動(dòng)擴(kuò)散;雙向性則表現(xiàn)在符合要求的物質(zhì)既能進(jìn)入細(xì)胞核，又可以流出細(xì)胞核。

二、物質(zhì)進(jìn)出核孔的機(jī)制

1.通過(guò)核孔復(fù)合體的被動(dòng)擴(kuò)散。核孔復(fù)合體并非規(guī)整的圓形通道，其有效直徑為9-10nm。對(duì)于離子、小分子物質(zhì)，只要其直徑小于核孔復(fù)合體的有效直徑，就可以在核孔這個(gè)“嘴巴”張開(kāi)的時(shí)候被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞核。大多蛋白質(zhì)分子進(jìn)入細(xì)胞核會(huì)受到阻礙，但如果是一些形狀規(guī)則的球形蛋白質(zhì)，且相對(duì)分子量較小（<40×103-60×103Da），同樣可以被動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞核。

2.核孔復(fù)合體的主動(dòng)運(yùn)輸。對(duì)于大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)類(lèi)“食物”，核孔這個(gè)挑剔的“嘴巴”只吃自己需要的，挑選的標(biāo)準(zhǔn)之一是“食物”的細(xì)碎程度（顆粒大?。?，標(biāo)準(zhǔn)之二是看“食物”是否帶有“高營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽”——親核蛋白。細(xì)胞分裂時(shí)一分為二，其中遺傳物質(zhì)需要加倍，而真核細(xì)胞的DNA合成、染色質(zhì)包裝發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，因此需要處于細(xì)胞質(zhì)中的組蛋白分子大量進(jìn)入細(xì)胞核，大約為106個(gè)/3min。它們進(jìn)入細(xì)胞核的方式就是由核孔復(fù)合體協(xié)助的主動(dòng)運(yùn)輸，這種方式的選擇性很高：一是對(duì)顆粒大小有選擇。并非所有大分子都能以此方式進(jìn)入細(xì)胞核，一般當(dāng)顆粒的直徑在10-20nm之間時(shí)可以發(fā)生，如核糖體亞單位。二是運(yùn)輸過(guò)程需要水解ATP提供能量，而且如果所有的核孔復(fù)合體都工作起來(lái)時(shí)就達(dá)到了運(yùn)輸速度的極限狀態(tài)，其它條件再充足也不能加快，即達(dá)到了飽和狀態(tài)。三是運(yùn)輸?shù)姆较蚴请p向的，核孔既可以吞入一些“營(yíng)養(yǎng)”物質(zhì)，也可以吐出一些“無(wú)用”物質(zhì)，通常組蛋白、核糖體蛋白等需要被吞入，而成熟之后的RNA以及核糖體亞單位等則是被吐出。當(dāng)然，主動(dòng)運(yùn)輸也涉及到許多小分子蛋白，如組蛋白H1，雖然相對(duì)分子量并不大，只有2.1×104Da，卻不是被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，而是以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)入，原因在于其帶有具信號(hào)功能的氨基酸序列，所以被主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入。

（1）親核蛋白的入核轉(zhuǎn)運(yùn)。親核蛋白的目的地在細(xì)胞核，來(lái)到目的地才開(kāi)始發(fā)揮功能。研究發(fā)現(xiàn)，親核蛋白能夠被“定位”于細(xì)胞核內(nèi)的主要原因在于其氨基酸序列中存在的核輸入信號(hào)。核輸入信號(hào)雖然特殊，但氨基酸序列卻很短，一般只是4-8個(gè)氨基酸殘基。這幾個(gè)氨基酸中常見(jiàn)Pro，且富含堿性氨基酸，如Lys、Arg等。這些序列可以像SV40T抗原的核輸入信號(hào)一樣連續(xù)，也可以是分段存在的，比如核質(zhì)蛋白的核輸入信號(hào)就是兩段不連續(xù)的氨基酸序列。核孔復(fù)合體上存在一些受體可以識(shí)別這些入核、出核的信號(hào)，以激活它協(xié)助完成主動(dòng)運(yùn)輸?shù)墓δ堋?/p>

親核蛋白從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)部，需要先后經(jīng)歷結(jié)合與轉(zhuǎn)移兩個(gè)步驟。親核蛋白與核孔復(fù)合體的結(jié)合不消耗能量，但是需要在核輸入信號(hào)的指引下完成;轉(zhuǎn)移則需要消耗能量，由GTP水解來(lái)提供。除此之外，還需要細(xì)胞質(zhì)中importinα、importinβ、Ran和NTF2等蛋白因子的參與，親核蛋白才能進(jìn)入細(xì)胞核。具體步驟是：①核輸入信號(hào)引導(dǎo)親核蛋白識(shí)別細(xì)胞質(zhì)中的importinα，并與importinα/importinβ異二聚體結(jié)合在一起，形成轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物。②上述復(fù)合物與核孔復(fù)合體結(jié)構(gòu)上處于核外的胞質(zhì)纖維進(jìn)行結(jié)合，此步驟需要importinβ的協(xié)助。③結(jié)合之后，轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物的構(gòu)象發(fā)生改變，從原來(lái)的胞質(zhì)面來(lái)到核孔復(fù)合體的核質(zhì)面。④Ran-GTP與轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物結(jié)合，引發(fā)復(fù)合物解離，同時(shí)釋放親核蛋白。⑤受體亞基與結(jié)合的Ran返回胞質(zhì)，Ran-GTP水解形成Ran-GDP并與importinβ解離，Ran-GDP返回核內(nèi)再轉(zhuǎn)換成Ran-GTP狀態(tài)。

（2）RNA及核糖體的出核轉(zhuǎn)運(yùn)。對(duì)于真核細(xì)胞而言，RNA在細(xì)胞核合成后一般都要經(jīng)過(guò)后加工、修飾等步驟，轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒霷NA后才會(huì)來(lái)到細(xì)胞質(zhì)。而成熟RNA如snRNA、mRNA、tRNA在成熟的過(guò)程中總是會(huì)在RNA上加入一些相關(guān)蛋白，形成RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，離開(kāi)細(xì)胞核的實(shí)際上就是這一復(fù)合體。換言之，RNA離開(kāi)細(xì)胞核，需要依賴那些與之結(jié)合在一起的特殊蛋白的幫助。它們的氨基酸序列當(dāng)中也有一段與核輸入信號(hào)類(lèi)似的特殊序列，稱(chēng)為核輸出信號(hào)，像引路人一樣引導(dǎo)RNA分子游向核孔，與核孔復(fù)合體結(jié)合并在其幫助下離開(kāi)細(xì)胞核。這一論點(diǎn)已經(jīng)在HIV病毒的研究中得到驗(yàn)證，有學(xué)者在HIV病毒的Rev蛋白中發(fā)現(xiàn)了具有上述信號(hào)指引作用的特殊氨基酸序列。

綜上所述，核被膜將細(xì)胞分隔為細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)兩個(gè)空間，但兩個(gè)空間相互聯(lián)系。小分子物質(zhì)一般以被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)出細(xì)胞核，相對(duì)比較自由;大分子物質(zhì)則會(huì)受到阻礙，需要具備一定條件且在核孔復(fù)合體的協(xié)助下才能進(jìn)入細(xì)胞核。核孔以及與其結(jié)合的核孔復(fù)合體特別挑剔，只“吃”自己需要的，以及貼有“高營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽”（如核輸入信號(hào)）的“食物”。

基金項(xiàng)目：新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院校級(jí)教改課題（201914）;生物工程專(zhuān)業(yè)核心課程應(yīng)用型教學(xué)體系構(gòu)建。

作者簡(jiǎn)介：關(guān)海燕（1985-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士，講師，研究方向?yàn)樯镝t(yī)藥。