A nukleáris citoplazmatikus transzport a sejtmag és a sejt citoplazmája közötti anyagcsere, amely nukleáris pórusokon keresztül megy végbe . A nukleáris citoplazmatikus transzport két kategóriába sorolható: az aktív transzport , amely energiát, valamint speciális receptorfehérjéket és transzportfaktorokat igényel, valamint a passzív transzport , amely a molekulák egyszerű diffúziójával megy végbe a nukleáris póruscsatornán keresztül.
A kis molekulák ( ionok , metabolitok , mononukleotidok stb.) a diffúzió következtében passzívan képesek mozogni a citoplazma és a sejtmag között [1] . A nukleáris pórusok vezetőképessége a különböző méretű molekulák esetében eltérő: a 15 kDa-nál kisebb tömegű fehérje gyorsabban hatol be a sejtmagba, mint a 30 kDa-nál nagyobb tömegű fehérje. A 40 kDa-nál nagyobb tömegű fehérjemolekulák láthatóan egyáltalán nem tudnak passzívan áthaladni a nukleáris pórusokon. Azonban még a kisméretű fehérjék is, amelyek funkciót látnak el a sejtmagban, mint például a hisztonok , a legtöbb esetben transzporter fehérjékkel kombinálva, nem passzívan szállítódnak [2] .
Sokkal nagyobb molekulák és teljes szupramolekuláris komplexek képesek átjutni az aktív transzporton a nukleáris pórusokon keresztül. Így a több megadalton tömegű riboszómális szubrészecskék a sejtmagból a sejtmag pórusain keresztül jutnak a citoplazmába, és nincs okunk feltételezni, hogy a transzportfolyamat ezen részszemcsék részleges szétesésével járna. Az aktív transzportrendszerek biztosítják a teljes makromolekuláris cserét a sejtmag és a citoplazma között. A sejtmagban szintetizált RNS-molekulák pórusokon keresztül jutnak be a citoplazmába, a sejtmagba pedig a nukleáris anyagcserében részt vevő fehérjék. Ezenkívül egyes fehérjéknek konstitutívan kell bejutniuk a sejtmagba (például hisztonoknak ), míg másoknak bizonyos ingerekre válaszul (például transzkripciós faktorok ).
A Ras-szerű GTPázok családjába tartozó kis GTPase Ran, amely a transzport és a GTP hidrolízis összekapcsolására szolgál, központi szerepet játszik a fehérjék aktív sejtmag-citoplazmatikus transzportjában , ami visszafordíthatatlanná teszi a folyamatot (energiával látja el). A Ran összetett lehet a GTP-vel vagy a GDP -vel . Más Ras-szerű GTPázokhoz hasonlóan a Ran is egy kis G-doménből áll, és két felszíni hurkot tartalmaz, a switch-I-t és a switch-II-t, amelyek a kötött nukleotidtól függően változtatják a konformációt [2] . A GTP tényleges hidrolízisét közvetlenül Ran végzi. A Ran, az RCC1 kromatinkötő fehérje nukleotidcsere-faktora ( G TPase Exchange Factor , GEF) kizárólag a sejtmagban, a GTPáz aktivitás aktivátoraiban ( GTPase Activation P protein , GAP) RanGAP1 és néhány más fehérjék kizárólag a citoplazmában vannak. Ez az aszimmetrikus lokalizáció gradiens kialakulásához vezet: a Ran GTP-kötött formája túlnyomórészt a sejtmagban, míg a GDP-hez kötött formája éppen ellenkezőleg, a citoplazmában található. A Ran-t a különféle hordozók import- és exportfolyamatainak energiaellátására használják, és az egész sémát Ran-ciklusnak (angolul, Ran-ciklusnak) nevezik. A Ran-ciklus kulcsfontosságú szakaszai a GTP hidrolízise a citoplazmában és a GDP cseréje GTP-re a sejtmagban.
A nukleáris fehérjék speciális aminosavszekvenciákat tartalmaznak , amelyek a sejtmag- nukleáris lokalizációs jelekben ( N nukleáris L ocalization Signal , NLS ) felelősek a lokalizációjukért . A nukleáris lokalizáció jelei a molekula transzportfaktorok általi felismerésének helyei - a transzportinek (karioferinek), amelyek a szubsztrát fehérjét a sejtmagba továbbítják. Az egyik elsőként az úgynevezett klasszikus vagy alapvető nukleáris lokalizációs jelet (cNLS) fedezték fel. Ez egy vagy két pozitív töltésű aminosav-csoport ( arginin és lizin ), és a karioferin-α felismeri [1] . A fehérje transzlokációja a sejtmagba, ellentétben a mitokondriumokba és az endoplazmatikus retikulumba történő transzlokációval , nem jár együtt ennek a szignálszekvencia hasításával és a polipeptidlánc kibontakozásával. A szubsztrátkötés mellett a transzportinek és komplexeik képesek a nukleáris pórusokon lehorgonyozni és megkötni a Ran-t.
Tekintsük a szubsztrát sejtmagba való bejutásának mechanizmusát az NLS-tartalmú fehérjék behozatalának példáján. A szállítás első szakasza a szubsztrát felismerése a transzportinok, jelen esetben az importin-α / β komplex által (a sejtmagba történő szállításban részt vevő transzportineket importineknek, a magból exportineknek nevezzük ). Ezután a kialakult komplex a nukleáris pórus fehérjéihez kötődik a citoplazmatikus oldalról, és a csatornán át a sejtmagba kerül, ahol a Ran-GTP kötődik hozzá, ami a komplex disszociációját és a rakomány felszabadulását okozza. Ezt követően a Ran-GTP-vel komplexben lévő importinok visszakerülnek a citoplazmába, ahol a Ran a RanGAP1 hatására hidrolizálja a GTP-t (GTP => GDP + PO 4 3- ). A Ran-GDP-importin α/β komplex instabil és disszociál. A Ran-GDP saját hordozóján, a dimer NTF2 fehérjén keresztül jut vissza a sejtmagba. A sejtmagban a RanGEF fehérje hatására a Ran aktív központjában lévő GDP-t GTP váltja fel, és így a ciklus lezárul.
Vizsgáljuk meg most a sejtmagból történő export mechanizmusát a nukleáris export jeleket tartalmazó fehérjék példáján ( Nuclear Export Signal , NES ). Ezeket a szignálszekvenciákat magas hidrofób aminosavtartalom jellemzi. A transzport első szakasza itt is a szubsztrát specifikus exportin Crm1 (angolul, C chromosome R region Maintenance ) általi befogadása és a komplex kialakítása. Az exportmechanizmusok közötti fő különbség az, hogy export esetén a transzlokációs komplexum a szubsztrát és a Crm1 mellett Ran-GTP-t is tartalmaz, azaz a Ran ciklussal való konjugáció a transzlokáció szakaszában történik, és nem a receptor újraimport szakaszában. Miután a nukleáris póruson átjutott a citoplazmába, a Ran lehasítja a GTP-t, a komplex elveszti stabilitását és disszociál, felszabadítva a rakományt.