各種物質(zhì)進出核孔的機制研究概述

關海燕 袁會峰 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，除了傳統(tǒng)的豆?jié){和油條，也有人愛吃牛奶和面包，這些食物的種類和樣式各不相同，但都給我們的身體提供營養(yǎng)。那么，具體到身體最小的組成單位——細胞，甚至其內(nèi)部的細胞核也都需要攝入自己所需要的“食物”。細胞、細胞核“吃食物”的方式有很多，其中細胞核有特別挑剔的“嘴巴”——核孔，它的挑剔體現(xiàn)在何處、有什么標準，本文將對此進行詳細闡述。

一、核被膜和核孔

1.核被膜。真核細胞的細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，這一間隔稱為核周間隙。正是由于核被膜的存在，真核生物基因表達的不同步驟在時間和空間上分隔開才成為可能。一方面，核被膜將細胞核與細胞質(zhì)分隔成兩個不同的功能區(qū)間，細胞核主要負責遺傳物質(zhì)的復制、轉錄等，而蛋白質(zhì)翻譯等則在細胞質(zhì)中完成，兩個區(qū)間互不干擾、井然有序。另一方面，核被膜還是一個很重要的調(diào)度者，并不是所有的物質(zhì)都可以通過核被膜，哪些物質(zhì)可以進入細胞核、進入多少，都由核被膜來調(diào)控。

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

核孔的直徑為80-120nm，結合在核孔上的核孔復合體的直徑卻比核孔還要大，約為120-150nm。對于這一蛋白復合體是如何與核孔結合在一起的，學者們給出了不同的結構模型，其中大家普遍接受也研究得比較清楚的是捕魚籠式模型。在這一模型中，核孔復合體包含以下4個基本結構：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條細長的纖維，并以對稱形式排列。二是核質(zhì)環(huán)，分布于細胞核基質(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，在末端形成一個比核質(zhì)環(huán)小得多的小環(huán)，這樣整體來看核質(zhì)環(huán)就像一個“捕魚籠”，也稱作核籃。三是中央栓，具有錨定作用，可以將核孔復合體和核孔結合在一起。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。輻呈八重對稱分布，每一條都從核孔邊緣伸出，集合在核孔復合體中央。在這一結構模型中，核孔復合體在核質(zhì)面和胞質(zhì)面并不對稱。

核孔復合體由大約1000多個蛋白質(zhì)分子組合在一起，相對分子量約為1.25×108Da。它是細胞核和細胞質(zhì)之間的一個交換通道，具有雙功能和雙向性特點。雙功能是指對于核孔復合體而言，通過其進出細胞核的方式是雙重的，有主動運輸，也有被動擴散;雙向性則表現(xiàn)在符合要求的物質(zhì)既能進入細胞核，又可以流出細胞核。

二、物質(zhì)進出核孔的機制

1.通過核孔復合體的被動擴散。核孔復合體并非規(guī)整的圓形通道，其有效直徑為9-10nm。對于離子、小分子物質(zhì)，只要其直徑小于核孔復合體的有效直徑，就可以在核孔這個“嘴巴”張開的時候被動擴散進入細胞核。大多蛋白質(zhì)分子進入細胞核會受到阻礙，但如果是一些形狀規(guī)則的球形蛋白質(zhì)，且相對分子量較小（<40×103-60×103Da），同樣可以被動進入細胞核。

2.核孔復合體的主動運輸。對于大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)類“食物”，核孔這個挑剔的“嘴巴”只吃自己需要的，挑選的標準之一是“食物”的細碎程度（顆粒大?。?，標準之二是看“食物”是否帶有“高營養(yǎng)標簽”——親核蛋白。細胞分裂時一分為二，其中遺傳物質(zhì)需要加倍，而真核細胞的DNA合成、染色質(zhì)包裝發(fā)生在細胞核內(nèi)，因此需要處于細胞質(zhì)中的組蛋白分子大量進入細胞核，大約為106個/3min。它們進入細胞核的方式就是由核孔復合體協(xié)助的主動運輸，這種方式的選擇性很高：一是對顆粒大小有選擇。并非所有大分子都能以此方式進入細胞核，一般當顆粒的直徑在10-20nm之間時可以發(fā)生，如核糖體亞單位。二是運輸過程需要水解ATP提供能量，而且如果所有的核孔復合體都工作起來時就達到了運輸速度的極限狀態(tài)，其它條件再充足也不能加快，即達到了飽和狀態(tài)。三是運輸?shù)姆较蚴请p向的，核孔既可以吞入一些“營養(yǎng)”物質(zhì)，也可以吐出一些“無用”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。當然，主動運輸也涉及到許多小分子蛋白，如組蛋白H1，雖然相對分子量并不大，只有2.1×104Da，卻不是被動擴散進入細胞核內(nèi)，而是以主動運輸?shù)姆绞竭M入，原因在于其帶有具信號功能的氨基酸序列，所以被主動運輸進入。

（1）親核蛋白的入核轉運。親核蛋白的目的地在細胞核，來到目的地才開始發(fā)揮功能。研究發(fā)現(xiàn)，親核蛋白能夠被“定位”于細胞核內(nèi)的主要原因在于其氨基酸序列中存在的核輸入信號。核輸入信號雖然特殊，但氨基酸序列卻很短，一般只是4-8個氨基酸殘基。這幾個氨基酸中常見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)蛋白的核輸入信號就是兩段不連續(xù)的氨基酸序列。核孔復合體上存在一些受體可以識別這些入核、出核的信號，以激活它協(xié)助完成主動運輸?shù)墓δ堋?/p>

親核蛋白從細胞質(zhì)進入細胞核內(nèi)部，需要先后經(jīng)歷結合與轉移兩個步驟。親核蛋白與核孔復合體的結合不消耗能量，但是需要在核輸入信號的指引下完成;轉移則需要消耗能量，由GTP水解來提供。除此之外，還需要細胞質(zhì)中importinα、importinβ、Ran和NTF2等蛋白因子的參與，親核蛋白才能進入細胞核。具體步驟是：①核輸入信號引導親核蛋白識別細胞質(zhì)中的importinα，并與importinα/importinβ異二聚體結合在一起，形成轉運復合物。②上述復合物與核孔復合體結構上處于核外的胞質(zhì)纖維進行結合，此步驟需要importinβ的協(xié)助。③結合之后，轉運復合物的構象發(fā)生改變，從原來的胞質(zhì)面來到核孔復合體的核質(zhì)面。④Ran-GTP與轉運復合物結合，引發(fā)復合物解離，同時釋放親核蛋白。⑤受體亞基與結合的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)再轉換成Ran-GTP狀態(tài)。

（2）RNA及核糖體的出核轉運。對于真核細胞而言，RNA在細胞核合成后一般都要經(jīng)過后加工、修飾等步驟，轉變?yōu)槌墒霷NA后才會來到細胞質(zhì)。而成熟RNA如snRNA、mRNA、tRNA在成熟的過程中總是會在RNA上加入一些相關蛋白，形成RNA-蛋白質(zhì)復合體，離開細胞核的實際上就是這一復合體。換言之，RNA離開細胞核，需要依賴那些與之結合在一起的特殊蛋白的幫助。它們的氨基酸序列當中也有一段與核輸入信號類似的特殊序列，稱為核輸出信號，像引路人一樣引導RNA分子游向核孔，與核孔復合體結合并在其幫助下離開細胞核。這一論點已經(jīng)在HIV病毒的研究中得到驗證，有學者在HIV病毒的Rev蛋白中發(fā)現(xiàn)了具有上述信號指引作用的特殊氨基酸序列。

綜上所述，核被膜將細胞分隔為細胞核和細胞質(zhì)兩個空間，但兩個空間相互聯(lián)系。小分子物質(zhì)一般以被動擴散的方式進出細胞核，相對比較自由;大分子物質(zhì)則會受到阻礙，需要具備一定條件且在核孔復合體的協(xié)助下才能進入細胞核。核孔以及與其結合的核孔復合體特別挑剔，只“吃”自己需要的，以及貼有“高營養(yǎng)標簽”（如核輸入信號）的“食物”。

基金項目：新鄉(xiāng)醫(yī)學院三全學院校級教改課題（201914）;生物工程專業(yè)核心課程應用型教學體系構建。

作者簡介：關海燕（1985-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士，講師，研究方向為生物醫(yī)藥。