Nuclear envelope (NE) состоит из двух концентрических мембранных бислоёв, inner nuclear membrane (INM) и outer nuclear membrane (ONM), которые окружают хромосомы и др. ядерные компоненты (Figure 1). Эта двойная мембрана испещрена nuclear pore complexes (NPCs), в которых INM и ONM сливаются, чтобы сформировать то что иногда обозначается как pore membrane (POM). Просвет между бислоями известен как perinuclear пространство, составляет приблизительно 50 nm у metazoans и и является продолжением просвета endoplasmic reticulum (ER).
The nuclear envelope: form и function
INM, ONM и pore membrane каждый интимно связан с самостоятельными белковыми структурами; эти соединения гарантируют интегральность ядерной среды и оказывают поддержку в координации клеточных событий. Особенно INM контактирует с подлежащей ядерной lamina и и областями хроматина, в то время как ONM ассоциирует с цитоскелетной актиновой сетью и центросомами. Крупные комплексы макромолекулярных пор привязаны к NE, к поровым мембранам.
Системные протеомные подходы [1,2] предсказали 67 новых интегральных белков мембран, часто встречающихся на ядерной мембране, добавив существенно к репертуару из 13 уже охарактеризованных белков (плюс сплайс-варианты). Интересно, что гены, кодирующие 23 из вновь идентифицированных белков картированы на хромосомных областях, сцепленных с дистрофиями у людей [2]. Вместе с предыдущими примерами, которые показали, что INM белки ассоциированы с болезнями людей [3,4], они подчеркнули критическую необходимость в определении, могут ли эти новые кандидаты быть генами, связанными с болезнями и вообще, позолят ли лучше понять функции белков, располагающихся в NE.
INM содержит уникальный субнабор из интегральных мембранных белков. Некоторые INM белки участвуют в организации геномной ДНК. Напр., рецептор lamin B, как было предположено, локализуется в уникальных микродоменах внутри NE, к которым он целенаправлено притягивает гетерохроматин [5]. Др. INM белки играют важную роль в структуре ядра. Интегральность NE нуждается в контактах между INM белками и ядерной lamina. Белки, содержащие LEM-домен, включая LAP2, emerin и MAN1, являются примерами INM-ассоциированных белков, которые взаимодействуют с lamins [3]. Мутации или в emerin или lamin приводят к аберрантной морфологии NE [4]. Важность emerin для ядерной структуры может быть также связана с его способностью увеличивать полимеризацию актина [6]. Ядерный актин является темой некоторых споров и рассматривается более подробно в др. месте [3,7]. Важно расшифровать, влияет ли emerin на роль, предложенную для актина в ядерной структуре, на регуляцию транскрипции или организацию митотических хромосом [7-10].
Перинуклеарный компартмент охарактеризован недостаточно, но скорее всего обладает многими общими компонентами с просветом ER. Недавние исследования, сфокусированные на AAA+ ATPase torsinA, однако, проиллюстрировали потенциальную роль таких просветных белков в NE-специфических функциях. В то время как torsinA обнаруживается преимущественно в ER, ATPase-дефектные мутантные torsinA, которые, как предполагается, находятся в тесном контакте со своими мишенями, четко локализуются в NE [11,12]. Экспрессия этих мутаций вызывают грыжи мембраны NE и альтерации в пространственном расположении INM и ONM [12], указывая тем самым, что ATPase играет важную роль в NE [13,14].
Интегральные мембранные белки ONM также по большей части общи с ER. Это широко принимается в качестве догмы и согласуется с непрерывностью между ER и ONM, которая делает возможной латеральную диффузию в мембранном бислое. Интересным исключением из этого правила является - ONM-обогащающие белки - вышли на свет лишь недавно. Первым в этом классе был описан C. elegans белок ANC-1, который обладает также актин-связывающим доменом и , как было установлено, играет роль в позиционировании ядра внутри цитоплазмы [15]. ANC-1 целенаправленно доставляется в NE способом, зависимым от INM белка UNC-84, что согласуется с мнением, что увеличение его количества в ONM может обеспечиваться за счет взаимодействий в перинуклеарном пространстве с просветными доменами белков. прикрепленных к INM. Эти взаимодействия, и впрямь играют роль в позиционировании ядра [16], они законсервированы у позвоночных в виде аналогов ANC-1 и UNC-84, и обозначаются соотв. как nesprins и SUN белки [17,18]. Эта сеть белковых взаимодействий, как предполагается, связывает внутренность ядра с актиновыми филаментами в цитоплазме. Изучение роли этих взаимосвязей актина ведется, но осложняется тем фактом, что nesprin белки чрезвычайно крупны и имеют множественные изоформы с существенными отличиями в локализации [18,19]. Расширение роли ONM белков стало результатом изучения C. elegans в отношении взаимодействий между SUN белком и ZYG-12, который также, как полагают, локализуется на ONM и необходим для прикрепления центросом к NE [20].
Мембраны пор дают приют интегральным мембранным белкам из NPC. Отличающиеся свойства двух известных интегральных мембранных nucleoporins позвоночных, gp210 и POM121, указывают на то, что эти белки играют очень разные роли. Хотя gp210 не выявляется в некоторых типах клеток [21o], его истощение из клеток Hela ведет к аномалиям NE [22]. Отсутствует согласие относительно функции gp210, но важный ключ к разгадке может лежать в неожиданном наблюдении, что этот трансмембранный белок динамически ассоциирует с порами [23]. POM121, напротив, является стабильным компонентом пор [23,24]. Т.о., POM121 может обеспечивать специфичный для пор компонент связи между NPC и мембраной, хотя уже идентифицированные белки мембранных пор млекопитающих также могут участвовать. Кроме того, белки пор, которые не являются интегральными белками мембран, были найдены, в качестве помощников в стабильном позиционировании каждого из NPC в NE [25,26]. Недавние структурные и биоинформативные характеристики установили, что члены Nup107-Nup160 комплекса (обозначаемые как Nup107 комплекс) содержат или возможно содержат β-propeller мотивы и α-helical solenoid домены с распределениями, соответствующими комплексам, такие как clathrin, который формирует подобные оболочке структуры на мембранах[27,28]. Возникает интригующая возможность, что нуклеопорины кооперативно покрывают оболочкой мембрану пор, потенциально стабилизируя её изогнутость. Соблазнительное мнение о 'proto-coatomer' также предоставляет новые перспективы по эволюции NE [27,29].
Хотя NE часто изображают как поверхность сферы, её топология более сложная. Трубки, формируемые с помощью инверсии NE в ядро увеличивают ядерную область, контактирующую с INM [30,31]. Эти инвагинации, коллективно называемые nucleoplasmic reticulum (NR), обнаружены во многих типах клеток и состояниях роста, с повышенными показателями, описанными для дедифференцированных или раковых клеток [30,32]. Недавние эксперименты подтвердили, что NR содержит места дискретного притока кальция [33]. Т.о., NE , по-видимому, активно участвует в передаче сигналов: токи кальция в NR могут управлять локальными изменениями процессов. чувствительных к кальцию, таких как модуляция конформации NPC [34,35] и экспрессии генов [36].
The nuclear envelope: formation
Недавно пролит свет на то, как NE конструируется и быстро разбирается в соотв. время митозов, но также выявлена и ранее не предполагаемая сложность этого процесса. Ключевыми аспектами образования NE являются наведение мембран на поверхность хроматина, слияние мембран и инкорпорация NPCs (Figure 2). Некоторые ключи к разгадке процесса сборки NE были получены на системах in vitro, во многих случаях с использованием экстрактов из яиц Xenopus, в которых NEs формируются de novo вокруг матричной ДНК путем реконструкции ступеней, отмеченных выше.
В парадигме, установленной первоначально по её роли в транспорте, малая GTPase Ran играет критическую роль в рекрутировании белков на поверхность хроматина. Конкретнее, Ran модулирует связывающую активность нуклеоцитоплазматического транспортного рецептора importin β (известного также как karyopherin β1). Т.к. RCC1/RanGEF, фактор обмена гуанина для Ran, располагается на хроматине, то уровни RanGTP высокие вблизи хромосом даже при митозах [37]. Т.о., при митозах независимо от нуклеоцитоплазматического транспорта, RanGTP способствует высвобождению importin β из белков пространственно ограниченным образом и облегчает отложение белков на хромосомах при подготовке к сборке NE [37-39]. Определенными мишенями для подобной регуляции являются нуклеопорины [39].
Ran служит также для контроля слияния мембран, опять же путем модуляции взаимодействий с importin β [38]. В этом случае подходящие мишени для importin β ещё не идентифицированы. Потребность в GTP при слиянии ядерных мембран. однако, может быть преодолена путем добавления phosphoinositide-specific phospholipase C (PtdIns-PLC) или phorbol 12-myristate 13-acetate, аналогов продуктов, синтезируемых этим энзимом [40]. Это позволяет предположить, что описанное взаимодействие между PtdIns-PLC и importin β [41] может иметь отношение к Ran-модулируемой ступени формирования ядра.
Недавние результаты подчеркнули Ran-регулируемую роль экспорта рецепторов Crm1/Exportin1 на кинетохоры [42], иллюстрируя тем самым потенциал дополнительных членов семейства importin β по выполнению не-канонических ролей во время митозов, хотя верно ли это во время сборки ядра всё ещё открытый вопрос. Importin β, член др. семейства транспортных рецепторов и адапторный белок, который связывает importin β с белками, имеющими NLS, участвуют в регуляции образования NE [43o]. Importin β, по-видимому, выполняет две роли: одна зависит от его способности связывать NLS-содержащие белки и др. связана с новым наблюдением, которое ассоциирует ейс мембранными пузырьками, участвующими в сборке NE.
Механизмы, более широко используемые на мембранах разных органелл, также играют роль в формировании NE. p97, гексамерная AAA+ATPase, была первой из причастных к слиянию пузырьков в ER и Golgi [44]. В связи с Ufd1 и Npl4, p97 способствует формированию закрытой NE in vitro [45]. Ufd1 и Npl4 могут связывать ubiquitin [46], а p97/Ufd1/Npl4 комплекс, как было установлено, играет роль в ретротранслокации из ER и в обеспечиваемых протеосомами процессинге и деградации [44]. Идентификация мишеней, распознаваемых этим белковым комплексом во время формирования ядра, д. дать важную информацию о его роли в этом контексте. Было бы также интересно проверить участие в канонической кухне слияния мембран факторов, таких как SNAREs, вовлеченных в таргетинг и слияние пузырьков, т.к. на сегодня картина формирования NE лишена компонентов, хорошо охарактеризованных в др. органеллах [47].
Нуклеопорин POM121 является ключом для интегрированной сборки NE со сборкой комплексов пор. У
Xenopus множественные популяции пузырьков вносят вклад в формирование NE. Antonin et al. элегантно продемонстрировали, что POM121 не нужен для доставки пузырьков на хроматин, но он необходим для мембранных пузырьков, чтобы они сливались во время образования NE [48]. Интересно, что когда комплекс Nup107 отсутствует, то POM121-содержащие пузырьки не инкорпорируются в результате NE оказывается лишенной пор [48,49]. В согласии с этим и то, что формирование таких 'pore-less' NE происходит, когда отсутствуют и Nup107 комплекс и POM121 [48]. Этот последний результат указывает на то, что отсутствие комплекса Nup107 смягчает потребность в POM121 для слияния мембран во вновь формируемой NE. Т.о., регуляторные взаимодействия между комплексом Nup107 и POM121 координируют рекрутирование мембран, слияние мембран и формирование NPC.
The nuclear envelope: growth
После формирования закрытой мембраны вокруг хроматина, NE д. увеличиваться за счет добавления мембран и новых NPCs (Figure 2). Хотя конечный результат роста является простым добавлением из той же самой мембранной системы, но вовлекаемые механизмы совершенно отличны от тех, что участвуют в инициальном образовании. Напр., скорее, чем бок-о-бок слияние пузырьков, происходит слияние за счет уплощения, чтобы создать двухслойное растяжение оболочки, мембрана д., по-видимому, добавляться к ONM во время роста, сопровождаясь перераспределением, чтобы поддерживать регулярное пространственное расположение ONM и INM. Снова важный ключ к разгадке этой второй фазы формирования NE был получен с помощью in vitro анализа, Напр., p97 также оказался вовлечен в увеличение ядра; однако, в соответствии с мнением, что механика изменена, др. белок партнер, p47, необходим для этой ступени [45].
Дальнейшим разграничением между образование и экспансией NE, в некоторых случаях, является, могут ли мембраны находиться в пулах хранения или д. ли синтезироваться новые липиды, процессы, которые происходят преимущественно в ER. Скорее чем циклически происходящие разборка и повторная сборка NE, у S. cerevisiae происходят 'закрытые митозы', при которых ядро делится, но этот способ деления ядер неизбежно влечет за собой также рост NE growth. Santos-Rosa et al. недавно установили, что дрожжевой гомолог Lipin, Smp2p, является мишенью для ER/nuclear membrane-ассоциированного phosphatase комплекса Nem1p-Spo7p [50]. Дефосфорилированный Smp2p, как полагают, репрессирует транскрипцию липидных биосинтетических энзимов. А соответствии с этим у дрожжей, лишенных Smp2p, NE увеличивается, чтобы создать внешние мембранные структуры, в то время как у дрожжей дикого типа деактивация Smp2p контролируется по времени с помощью митотической киназы и экспансия NE гарантируется до ядерного деления. Отметим, что белок млекопитающих, родственный фосфатазе Nem1p является предположительно INM белком [2]. Т.о, возможно законсервированный сигнальный путь на NE, участвующий в модулировании уровней липидов, которые д. инкорпорироваться в NE.
Экспансия NE происходит также, когда увеличивается сложность NR. Наблюдается связь между количеством NR трубок и CTP:phosphocholine cytidylyltransferase-α, энзимом, участвующим в синтезе phosphatidylcholine [51]. Этот энзим может влиять на ядерные мембраны двумя способами, т.к. и его физическая ассоциация и его биосинтетический продукт меняет топологию бислоя [51]. Связь между альтерациями в мембране бислоев и содействием в образовании NR, однако, пока не выявлена. Наблюдение, что glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, и в частности её предполагаемый мотив распознавания phosphatidylserine, могут играть роль в слиянии пузырьков во время сборки ядра, подчеркивает раннюю роль распознавания липидов во время образования NE [52]. Интригующая информация о биосинтезе липидов вместе с нашим пониманием образования и роста ядра является важной целью будущих исследований. Механизмы обратной связи, хотя и плохо изученные, безусловно существуют. Напр., избыточная продукция INM-ассоциированных белков,ка было установлено, вызывает пролиферацию NE-подобных структур (см [53,54]).
Ядерный рост затрагивает доставку интегральных мембранных белков, такдже как и экспансию мембран. Интегральные мембранные белки, как полагают. диффундируют латерально из ONM в INM посредством мембран пор, подходящих благодаря промежуткам в структуре пор [55]. Антитела к POM белку gp210 вмешиваются в доставку репортеров в INM, указывая тем самым, что этот nucleoporin в частности может участвовать в перемещениях от ONM к INM [56]. Согласно diffusion-retention модели, широко используемой для объяснения того, как специфические субнаборы интегральных белков локализуются исключительно на INM, определённые белки. которые диффундируют в INM становятся прикрепленными здесь благодаря взаимодействиям с подлежащей ламиной и хроматином. Недавняя работа заставила сомневаться, является ли этот механизм универсальным, продемонстрировав потребность в энергии, чего не ожидалось для простых диффузии и захвата [56].
Др. наблюдения согласуются с идеей, что ранние ступени в биогенезе белков, не просто привязь, которая ограничивает последующую диффузию в INM, но д. влиять на доставку. Определенно, сортирующий мотив, диктующий локализацию в INM, как было установлено, осуществляет определенные контакты с механизмами, которые ко-трансляционно интегрируют белки в мембрану [57]. Большая изученность энергетической потребности, роли ядерных пор и роли кофакторов, которые участвуют в ранних стадиях направления белков в INM, д. пролить новый свет на механизмы, участвующие в создании специализированной INM среды.
Nuclear envelope disassembly: prelude to reformation
В клетках высших эукариот, загадка, как становится возможным, что микротрубочки веретена достигают хромосом во время митозов, разрешена демонтажом NE в течение каждого клеточного цикла (обозначаются 'открытые митозы'). Это быстрое ремоделирование физически скоординировано с перестройкой многих др. клеточных составляющих и скоординировано во времени с др. событиями клеточного цикла. Несколько механизмов, по-видимому, вносят вклад в разборку NE. Учитывая, что разрыв NE охарактеризован в разных экспериментальных системах (Figure 3), одной из современных задач является определение, какие механизмы законсервированы у видов и как пути отличаются между разными типами клеток и состояниями роста. В ооцитах морских звезд, проницаемость NE увеличивается до потери оболочкой целостности. Это коррелирует с ранними ремоделирующими событиями в NPC [58]. Ранние изменения в проницаемости NE появляются также в одноклеточном организме Ustilago maydis, базидиальных грибах, которые подвергаются открытым митозам [59]. Отметим, что разные степени ремоделирования митотических пор наблюдаются даже у организмов, которые подвергаются закрытым митозам [60,61]. Вклад измененной функции барьер/транспорт NPC при митозах всё ещё плохо изучен. Увеличение проницаемости может просто облегчать доступность ядра для митотических сигнальных компонентов. Однако, когда ядра искусственно делают проницаемыми с помощью агглютинина из проростков пшеницы, связанный с порами лектин всё ещё блокирует разборку ядра, тем самым открывается возможность, что NPCs (и ремоделированные промежуточные структуры) составляют важную поддержку для скоординированного прорыва ядерных компонентов [62].
Разные характеристики ремоделирования мембран наблюдались у разных видов во время прорыва NE. В ооцитах морских звезд ремоделирование предположительно исходит из-за разборки NPCs [58]. Зависимые от микротрубочек события также управляют альтерациями в NE. У U. maydis, тела полюсов веретена, которые прикреплены к ONM, по-видимому, тянут NE dynein-зависимым способом в направлении дочерних клеток. Разрыв ядерной целостности происходит после токо как ядро удлиняется и имеет один конец. расположенным в почке. Dynein-обусловленное движение скорее всего облегчает разрыв NE в соматических клетках высших эукариот, хотя скорее, чем аналогичное выталкивание NE с помощью центросом, этого зависимого от микротрубочек события сборки NE в центросомах [63,64], вызывающего в конечном счете разрыв в дистальных регионах NE.
По ходу митозов маркеры NE перемешиваются с маркерами ER в соматических клетках [65,66]. Эта потеря самостоятельных мембранных доменов д. быть просто результатом латеральной диффузии. Разборка NPC, также как и конкурентные события, такие как разрыв lamina, может удалять связи и барьеры, которые иначе мешают свободному току между INM и ER.
Отдельные популяции мембранных пузырьков, происходящих из NE, присутствуют в экстрактах, полученных из яиц Xenopus [67]. Присутствие множественных популяций пузырьков указывает на то, что разрыв NE связан с образованием пузырьков и, хотя трудно задокументировать промежуточные образования, существуют некоторые прямые доказательства образования пузырьков [68]. Недавно найдено, что coatomer комплекс COPI участвует в разрыве NE в экстрактах яиц Xenopus [69]. Роль COPI в покрытии мембран и ,когда это происходит, в способствовании образованию пузырьков охарактеризована в контексте секреторной направленной миграции [47]. COPI могут сходным образом ремоделировать ядерные мембраны в пузырьки во время митоза.
Белки ядерных пор участвуют в привлечении COPI к NE. В особенности COPI были обнаружены в ассоциации с Nup153 [69] и с Nup358, которые, как было показано, играют не перекрывающиеся роли в разборке ядер [70]. Интересно, что эти два нуклеопорина локализуются на ядерной и цитоплазматической стороне ядерных пор. соотв., указывая тем самым, что эффективный разрыв ядра нуждается в рекрутировании COPI близко к INM и ONM. Хотя наблюдаемое увеличение проницаемости NPC на ранних стадиях митозов, обсуждалось выше, могут способствовать доступу COPI на ядерную сторону пор, остаются многие вопросы о том, как регулируется рекрутирование COPI.
Образование пузырьков и перемешивание NE/ER не являются исключительными. В некоторых ситуациях пузырьки могут персистировать как форма хранения NE мембран; в др. типах клеток пузырьки могут приходить и сливаться с ER, указывая на более активный способ перемешивания мембран ER и NE при митозах. Альтернативно, компоненты COPI могут участвовать в ремоделировании NE неконвенционным способом, таком как неожиданное вовлечение clathrin на митотическое веретено [71]. Недавняя гипотеза, что Nup107 комплекс является 'coat-like' по структуре [27] открывает дополнительную возможность, что во время разборки ядра, COPI сотрудничает с этими нуклеопоринами, уже помещенных рядом с мембранами пор. Множество регуляторных и механистических деталей ещё предстоит создать для получения целостной картины процесса разборки мультислойной NE
Conclusions
The double membrane of the NE и the presence of the NR create unique functional environments. The contribution of the NE to gene expression, signal transduction и nuclear positioning hinges on its specialized architecture и unique protein composition. These same features present challenges to efficient disassembly и reassembly of the NE. Many players и paradigms that contribute to cell-cycle-driven remodeling of the NE have been identified, but significant questions remain about how the NE is rapidly dispersed и accurately reformed. More experimental scrutiny will contribute to a better understиing of normal nuclear function и also lend molecular insight to pathogenic states that arise from alterations at the nuclear envelope.
Update
Одна из работ в печати [72] посвящена дальнейшей проверке взаимосвязи между на ONM локализованным белком, nesprin 2 (nesp2G) и Sun белками в клетках млекопитающих. Так, и Sun1 и Sun2 оказалось вносят вклад в локализацию nesp2G. Эта сеть взаимодействий, которая связывает INM и ONM белки, дала название LINC для ‘complex that links the nucleoskeleton и
Сайт создан в системе
uCoz